[論文レビュー] Indirect Dark Matter Searches with VERITAS

R. G. Wagner|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、VERITAS Cherenkov望遠鏡アレイを用いた間接的ダークマター探索の結果を提示しており、弱い相互作用をもつ大質量粒子（WIMP）の対消滅から生じる高エネルギーガンマ線信号を、矮小球状銀河、球状星団、および局所銀河団銀河を標的にして調査している。有意な過剰信号は検出されなかったが、WIMP対消滅断面積の上限から、現在の感度限界において検出可能とするには、滑らかなハロー模型に対して約1000倍のブースト因子が必要であると示唆された。

ABSTRACT

A leading candidate for astrophysical dark matter (DM) is a massive particle with a mass in the range from 50 GeV to greater than 10 TeV and an interaction cross section on the weak scale. The self-annihilation of such particles in astrophysical regions of high DM density can generate stable secondary particles including very high energy gamma-rays with energies up to the DM particle mass. Dwarf spheroidal galaxies of the Local Group are attractive targets to search for the annihilation signature of DM due to their proximity and large DM content. We report on gamma-ray observations taken with the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) of several dwarf galaxy targets as well as the globular cluster M5 and the local group galaxies M32 and M33. We discuss the implications of these measurements for the parameter space of DM particle models.

研究の動機と目的

• VERITASを用いて、宇宙的ダークマター密度の高い領域におけるWIMP対消滅から生じる高エネルギーガンマ線信号の探索を行う。
• 観測対象からのフラックス上限を用いて、WIMPダークマターモデルのパラメータ空間を制約する。
• 滑らかなハローと準位構造増幅モデルの文脈において、超対称的ダークマターの検出可能性を評価する。
• 現在のIACTが間接的ダークマター信号にどれほど感度を持つのかを評価し、将来の観測施設設計に情報を提供する。

提案手法

• Fred Lawrence Whipple観測所に設置されたVERITASを用い、ウッブルモードで観測し、3〜4台の望遠鏡を用いたアレイ構成を採用した。
• 画像再構成、パルス高さ和、形状カットを用いてガンマ線候補を選別し、3% Crabフラックス信号に最適化された手法を採用した。
• バックグラウンド推定には、オフソース領域をモデル化するためのリフレクテッドリージョン法を用いた。
• 統計的有意性はLiとMaの手法（式17）を用いて計算し、フラックス上限は境界付きプロファイル尤度比（Rolke法）によって導出した。
• 各標的に対して、NFWプロファイルを用いて天体的J要因を計算し、臨界密度およびハッブル半径で正規化した。
• エネルギー依存の有効面積と1% Crabフラックス正規化を組み合わせることで、WIMP質量関数としての断面積上限（$\langle\sigma v\rangle$）を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VERITASは、近隣の矮小球状銀河におけるWIMP対消滅から生じる高エネルギーガンマ線信号を検出可能か？
• RQ2 中性子の質量が100 GeVから10 TeVの間で、WIMP対消滅断面積（$\langle\sigma v\rangle$）の上限は何か？
• RQ3 観測されたフラックス上限は、WMAPの残存密度制約と整合する最小限の超対称的モデル（MSSM）をどの程度制限するか？
• RQ4 滑らかなハロー仮定のもとで、現在のWIMPモデルがVERITASで検出可能となるにはどの程度のブースト因子が必要か？
• RQ5 球状星団および大規模銀河におけるバックグラウンドレベルは、間接的ダークマター探索の実現可能性にどのように影響するか？

主な発見

• ドラコ、ウラス・ミニア、ウィルマン1、M5、M32、M33の観測において、バックグラウンドを超える有意なガンマ線過剰は検出されなかった。
• 95%信頼水準でのフラックス上限は、それぞれドラコ、ウラス・ミニア、ウィルマン1で$2.82 \times 10^{-12}$、$1.35 \times 10^{-12}$、$2.23 \times 10^{-12}$ cm⁻²s⁻¹であった。
• 断面積上限（$\langle\sigma v\rangle$）から、MSSMタイプのWIMPモデルを検出可能とするには、滑らかなハロー予測値に対して約1000倍のブースト因子が必要であると示唆された。
• 球状星団M5および銀河M32、M33について、95%信頼水準でのフラックス上限は、それぞれ$2.5 \times 10^{-4}$、$3.2 \times 10^{-4}$、$7.4 \times 10^{-4}$ 光子 cm⁻²s⁻¹であった。
• NFWプロファイル仮定のもとで、J要因はそれぞれドラコ、ウラス・ミニア、ウィルマン1で4、7、22であった。
• 将来の機器、例えばCTAやAGISは、感度を10倍向上させると予想されており、保守的なハロー仮定のもとでも、妥当なダークマターモデルの検出が可能になると期待される。