[論文レビュー] Indirect searches for dark matter annihilations toward dwarf spheroidal galaxies with VERITAS

M. Vivier|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、ダークマター（DM）散乱からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線を探索するため、5つの矮小球状銀河（dSph）に対するVERITAS観測を報告する。特に、 Sommerfeld増幅を伴う散乱断面積を持つモデルに焦点を当てる。顕著な過剰は検出されなかったが、観測結果はダークマター散乱断面積に対してきびしい上限を設定し、質量が17 TeVまで達する共振的増幅を示すウィノ型およびスカラー媒介のDMモデルを除外する。

ABSTRACT

In the cosmological paradigm, cold Dark Matter (DM) dominates the mass content of the Universe and is present at every scale. Candidates for DM include many extensions of the standard model, with a weakly interacting massive particle (WIMP) in the mass range from 50 GeV to greater than 10 TeV. The self-annihilation of WIMPs in astrophysical regions of high DM density can produce secondary particles, including very high energy (VHE) gamma rays, with energies up to the dark matter particle mass. The VERITAS array of Cherenkov telescopes, designed for the detection of VHE gamma rays in the 100 GeV-10 TeV energy range, is an appropriate instrument for the detection of DM and is complementary to Fermi-LAT. Dwarf spheroidal galaxies (dSphs) of the Local Group are potentially the best targets to search for the annihilation signature of DM due to their proximity and large DM content. We report on the latest VERITAS observations of dSphs and discuss the results in the framework of WIMP models.

研究の動機と目的

• 矮小球状銀河（dSph）からの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線におけるダークマター散乱の間接的証拠を探索すること。
• とくに、散乱断面積を増幅させるSommerfeld増幅を伴う弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMP）ダークマターモデルを制約すること。
• dSphが高密度のダークマターと低い天体物理学的背景を持つことを利用し、DM散乱に対する感度を向上させること。
• ウィノ型中性保存子やスカラー媒介のダークマターといった特定のDMモデルが、VERITASの観測データと整合するかを検証すること。
• VHEガンマ線データを用いたdSph観測から、これまでで最もきびしい速度平均散乱断面積⟨σv⟩の制限を提供すること。

提案手法

• VERITASは、4台の12メートルの像空気チェレンコフ望遠鏡から成るアレイであり、ドラコ、ウラス・マイノル、ブーテス1、ウィルマン1、セグエ1の5つのdSphに対してポイント観測を実施した。
• システム的不確実性を低減するために、同時に源および背景測定が可能な「ウッブルポイント」モード（±0.5°のオフセット）を用いた。
• データは標準的なIACT手法で処理された：カメラ画像のキャリブレーション、Hillasパラメータの選択、および反射背景モデルによるバックグラウンド推定。
• 過剰の有意性はLi & Ma法により計算され、95%信頼水準（CL）でのガンマ線フラックス上限はRolkeの手続きにより導出された。
• 微分フラックスの指数が-2.6のパワー則スペクトルを仮定し、300 GeV以上で積分したフラックス上限を計算した。
• Sommerfeld増幅を持つ2つのモデル（ウィノ型中性保存子と軽いスカラー媒介子を伴うもの）における理論的予測と観測フラックス上限を比較し、散乱断面積⟨σv⟩の制限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VERITASは、矮小球状銀河におけるダークマター散乱からのVHEガンマ線信号を検出可能か？
• RQ2 VERITASの観測結果は、Sommerfeld増幅を伴う散乱断面積を持つWIMPダークマターモデルをどの程度制約するか？
• RQ3 観測結果は、特に共鳴的増幅を示すウィノ型中性保存子やスカラー媒介のDMモデルをどの程度除外するか？
• RQ4 VERITASの制限は、3×10⁻²⁶ cm³s⁻¹の標準的熱的残り断面積と比べてどうか？
• RQ5 1–17 TeVの質量範囲における共鳴的散乱特徴を検出するためのdSph観測のVERITAS感度はどの程度か？

主な発見

• ドラコ、ウラス・マイノル、ブーテス1、ウィルマン1、セグエ1のいずれのVERITAS観測においても顕著なガンマ線過剰は検出されなかった。
• セグエ1における300 GeV以上のエネルギーで積分したVHEガンマ線フラックスの95%信頼水準上限は0.8×10⁻¹² cm⁻²s⁻¹であり、研究されたdSphの中で最もきびしい制限であった。
• VERITASは、ターゲットに応じて10⁻²¹～10⁻²³ cm³s⁻¹のレベルで速度平均散乱断面積⟨σv⟩の上限を設定した。
• モデルI（ウィノ型中性保存子）では、ダークマター質量が約4.5 TeVおよび17 TeVの共鳴的Sommerfeld増幅が除外された。
• モデルII（mϕ = 250 MeVの軽いスカラー媒介のDM）では、特にe⁺e⁻およびμ⁺μ⁻崩壊チャンネルにおいて、標準的3×10⁻²⁶ cm³s⁻¹を超える散乱断面積を持つモデルは否定された。
• セグエ1の観測は、dSph観測からのSommerfeld増幅を伴うDMモデルに対するこれまでで最もきびしい制限を提供したが、依然として熱的残余断面積から2桁以上大きい。