[論文レビュー] Implications of a Dark Matter-Neutrino Coupling at Hyper-Kamiokande

A. Olivares-Del Campo, Sergio Palomares-Ruiz+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、MeVスケールのダークマター（DM）対消滅からの単色性ニュートリノに対するハイパーカミオカンデ（HK）検出器の感受性を調査し、HKが15–30 MeVの熱的生成DM候補を除外できることを示している。ニュートリノ信号とバックグラウンドを分析し、ムーニュートリノ由来のバックグラウンドを抑制するジスチニウムドーピングを活用することで、本研究は、従来のスーパーカミオカンデに基づく限界に比べ、HKの感受性が向上することを示している。

ABSTRACT

Dark matter and neutrinos provide the two most compelling pieces of evidence for new physics beyond the Standard Model of Particle Physics but they are often treated as two different sectors. In this paper, we consider how neutrino observables can be used to constrain the parameter space of different models where active neutrinos interact with DM via mediators of different spins. We study for the first time the sensitivity of the Hyper-Kamiokande detector to neutrinos produced from MeV Dark Matter annihilation. In particular, we find that thermally produced DM candidates with masses between 15-30 MeV could be fully excluded.

研究の動機と目的

• MeVスケールのダークマター（DM）対消滅からの単色性ニュートリノを検出できるハイパーカミオカンデ（HK）の可能性を評価すること。
• 特に熱的DMシナリオに注目し、ニュートリノ観測量を用いてDM-ニュートリノ結合モデルを制約すること。
• 特にジスチニウムドーピングを含む検出器の改良が、バックグラウンド抑制および信号検出に与える影響を評価すること。
• スーパーカミオカンデ、ボレキシノ、および他の実験からの既存の限界と比較して、HKの制約を評価すること。
• ディラックDMシナリオにおけるスカラーメディエータとベクトルメディエータモデルの間の素性的差異を検討すること。

提案手法

• スーパーカミオカンデの25倍のフィducialボリュームを想定し、エネルギー分解能および効率をSKデータに一致させた、HKにおけるニュートリノイベントレートのシミュレーション。
• 主なバックグラウンドを、大気由来の電子ニュートリノおよび不可視ミューオンからのミケルポジトロンとしてモデル化。後者はジスチニウムドーピングにより80%低減。
• 10年間の露出時間における、熱的に平均化されたDM対消滅断面積（ニュートリノへの）の90%信頼区間上限を計算。
• 簡略化モデルとして、スカラーメディエータまたはベクトルメディエータを介してアクティブニュートリノと結合するディラックDMの制約に、断面積の上限を適用。
• 宇宙論的観測量からの制約を適用：DM-ニュートリノ弾性散乱によるCMBおよび大規模構造（LSS）の抑制。
• メディエータ質量–DM質量平面におけるパラメータ空間をマップし、安定性、残存密度、および宇宙論的境界と整合しない領域を除外。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーカミオカンデは、MeVスケールのダークマター対消滅からの単色性ニュートリノを検出可能か？
• RQ2 HKにジスチニウムドーピングを組み込むことで、DM-ニュートリノ対消滅信号に対する感受性はどのように向上するか？
• RQ3 ニュートリノと結合するスカラーメディエータまたはベクトルメディエータを持つディラックDMモデルに対する制約は何か？
• RQ4 DM-ニュートリノ弾性散乱および残存密度に関する宇宙論的境界は、妥当なパラメータ空間をどのように形作るか？
• RQ5 HKの制約は、スーパーカミオカンデ、ボレキシノ、および他の実験からの既存の限界と比較してどうなるか？

主な発見

• ハイパーカミオカンデは、従来のスーパーカミオカンデに基づく限界に比べ、熱的に平均化されたDM対消滅断面積を1桁小さい値まで探査可能である。
• ジスチニウムドーピングにより、HKは15–30 MeVの熱的DM候補を完全に除外可能であり、断面積が3×10⁻²⁶ cm³/sであると仮定した場合に有効である。
• ジスチニウムの導入により、不可視ミューオンバックグラウンドが5倍に低減され、低エネルギーニュートリノ信号検出の感受性が顕著に向上する。
• スカラーメディエータモデルでは、DMの安定性から、メディエータ質量がDM質量を上回らなければならないため、m_Mediator–m_DM平面の半分のパラメータ空間が除外される。
• ベクトルメディエータモデルでは、より軽いメディエータが許容され、共鳴的消滅挙動を示すため、スカラーモデルとは異なる素性的シグネチャを示す。
• 速度に依存する断面積を持つ消滅反応では、銀河ハロー内でのDMの低熱的速度のため、HKの制約は顕著に弱くなる。