[論文レビュー] High Energy Neutrinos As A Test of Leptophilic Dark Matter

Douglas Spolyar, Matthew R. Buckley+3 more|ArXiv.org|May 29, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、アイスキューブ/ディープコアが、パメラとフェルミ宇宙線望遠鏡の異常を説明するレプチルフィリックなダークマター理論を検証できると提唱している。もしパメラとフェルミの両方の信号が同じダークマター粒子由来であれば、アイスキューブ/ディープコアは銀河中心でのダークマター対消滅からのニュートリノ信号を検出可能であるが、もしそのうちパメラの陽電子過剰のみがダークマター由来であれば、強い制約が得られる。

ABSTRACT

Recently, observations by PAMELA, the Fermi Gamma Ray Space Telescope, and other cosmic ray experiments have generated a great deal of interest in dark matter (DM) particles which annihilate at a high rate to leptons. In this letter, we explore the possibility of using large volume neutrino telescopes, such as IceCube, to constrain such models; specifically we consider signals due to DM annihilation in the inner Milky Way. We find that, if Dark Matter annihilations are responsible for the signals observed by PAMELA and FGST, then IceCube (in conjunction with the planned low threshold extension, DeepCore) should detect or exclude the corresponding neutrino signal from the inner Milky Way with a few years of observation.

研究の動機と目的

• パメラとフェルミが観測した異常な宇宙線陽電子スペクトルが、レプチルフィリックなダークマター対消滅によって説明可能かどうかを検証すること。
• アイスキューブおよびその低しきい値拡張であるディープコアを用いて、内銀河系におけるダークマター対消滅から生じる高エネルギーニュートリノの検出可能性を評価すること。
• 特にミュオン、タウ、ニュートリノを優勢に生成するチャンネルを想定した場合に、異なるダークマスと対消滅チャンネルに対するアイスキューブ/ディープコアの感度を特定すること。
• ニュートリノ検出または非検出に基づいて、ダークマター対消滅がレプチオン最終状態に進行する割合を制約すること。
• アイスキューブ/ディープコアが、対消滅と崩壊の両方のシナリオを区別できる可能性を評価すること（ただし、便宜上、後者については省略される）。

提案手法

• 熱的リリック予想を超える対消滅率の増幅を表すブーストファクターを仮定し、銀河ハロー内でのダークマター対消滅からのニュートリノフラックスをモデル化すること。
• アイスキューブ/ディープコアの検出器幾何学的構造とバックグラウンド除去能力を用い、特にメインアイスキューブアレイによる大気ミュオンの遮断と、ディープコアにおける電磁シャワーの検出を考慮すること。
• エネルギーしきい値が数十GeVにまで低下するように、ディープコアにおけるニュートリノ誘発シャワーイベントをシミュレートし、ダークマター対消滅からの低エネルギー信号に感度を持つようにすること。
• 予測されたニュートリノフラックスをアイスキューブ/ディープコアの検出しきい値とバックグラウンドレベルと比較し、検出には5σの有意水準、除外には2σの限界を用いること。
• 角度分解能とシャワー識別技術を適用して信号対バックグラウンド比を向上させ、性能が向上すれば感度がさらに向上すると仮定すること。
• パメラとフェルミの信号を再現するための必要なブーストファクターを計算し、アイスキューブ/ディープコアでの検出可能範囲と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パメラとフェルミの宇宙線異常が同じレプチルフィリックなダークマター粒子由来である場合、アイスキューブ/ディープコアは銀河中心でのダークマター対消滅からの高エネルギーニュートリノ信号を検出可能か？
• RQ2 パメラの陽電子過剰のみを説明するダークマターモデルに対して、アイスキューブ/ディープコアの感度はどの程度か？また、ミュオン、タウ、ニュートリノへの対消滅割合をどの程度まで制約できるか？
• RQ3 ディープコアの低しきい値能力を組み込むことで、標準アイスキューブと比較して、ダークマター対消滅からのニュートリノシャワー検出がどの程度向上するか？
• RQ4 角度分解能とシャワー識別技術を用いることで、アイスキューブ/ディープコアにおけるダークマターニュートリノ探索の信号対バックグラウンド比はどの程度向上するか？
• RQ5 ダークマター分布におけるソマーフェルト増幅や小構造が、アイスキューブ/ディープコアにおけるニュートリノ信号検出可能性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• パメラの陽電子過剰とフェルミの電子スペクトルが同じレプチルフィリックなダークマター粒子由来であれば、数年間の観測後、アイスキューブ/ディープコアは5σ以上の有意水準でその対応するニュートリノ信号を検出可能である。
• 500 GeVのダークマター粒子が主にミュオンまたはタウに崩壊する場合、パメラデータと整合するブーストファクターの全範囲（宇宙線伝播モデルの不確実性を含む）において、アイスキューブ/ディープコアは2σの範囲内で信号を検出可能である。
• ダークマター粒子がニュートリノへの直接対消滅チャンネルを持つ場合、検出可能な信号率が増加し、アイスキューブ/ディープコアの感度が拡張される。
• より軽いダークマター粒子に対しても、アイスキューブ/ディープコアはレプチオンへの対消滅割合に対してきびしい制約を課すことができるが、パrameter空間の完全な除外は困難である。
• 角度分解能と電磁シャワーとハドロンシャワーの識別性能が向上すれば、アイスキューブ/ディープコアの統計的検出力や制約力が顕著に向上する可能性がある。
• 本研究は、アイスキューブ/ディープコアが、パメラとフェルミの異常を高レートでレプチオンを優勢に生成する対消滅によって説明するモデルを検証する強力なプローブであることを確認した。