[論文レビュー] Kaluza-Klein Dark Matter And Neutrinos From Annihilation In The Sun

Thomas Flacke, Arjun Menon+2 more|ArXiv.org|Aug 6, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、1つのユニバーサルな追加次元を持つモデルにおける、ヒッグスの hypercharge ボソンの最初のカルラツァ＝クライン励起状態（$B^{(1)}$）および中性 $W^3$ ボソンの最初のカルラツァ＝クライン励起状態（$W^{3(1)}$）というカルラツァ＝クラインのダークマター候補を調査している。太陽内でのそれらの対消滅によって生成される高エネルギーニュートリノのフラックスを計算し、現在の IceCube データが $B^{(1)}$ ダークマターに対して、CDMS や XENON10 といった直接検出実験よりもきびしい制約を与えることが判明した。一方、$W^{3(1)}$ については制約がわずかに弱い。将来の IceCube/DeepCore は、特に $B^{(1)}$ に関して、Ued パラメータ空間の広範な領域を探索可能であり、近い将来の直接検出実験を上回る感度を示す可能性がある。

ABSTRACT

In models with one universal extra dimension (UED), the first Kaluza-Klein excitations of the hypercharge gauge boson, B^(1), and the neutral component of isospin gauge boson, W^3(1), are each viable dark matter candidates. In either case, such particles are predicted to accumulate in the core of the Sun, where they annihilate to generate a potentially observable flux of high energy neutrinos. In this article, we calculate the flux of neutrinos produced in this model and determine the constraints that can be placed on the UED parameter space from current IceCube data. For the case of B^(1) dark matter, we find that the present limits from IceCube are stronger than those from direct dark matter detection experiments such as CDMS and XENON10. For W^3(1) dark matter, the present IceCube data provides a constraint slightly weaker than direct detection experiments. In addition, we also present the projected regions of UED parameter space that can be probed by IceCube/DeepCore in the near future and compare them to the prospects for future direct detection experiments.

研究の動機と目的

• ユニバーサルな追加次元（UED）モデルにおける $B^{(1)}$ および $W^{3(1)}$ カルラツァ＝クライン粒子がダークマター候補として妥当であるかを評価すること。
• 太陽内でのこれらのダークマター粒子の対消滅によって生成される高エネルギーニュートリノのフラックスを計算すること。
• 現在の IceCube データが UED パrameter 空間に与える制約を、CDMS や XENON10 といった直接検出実験の制約と比較すること。
• 将来の IceCube/DeepCore および Super-CDMS や XENON100 といった直接検出実験の感度を、これらのダークマター候補に対して予測すること。

提案手法

• 本研究は、すべての標準模型場が平坦な第五次元に存在し、$S^1/\mathbb{Z}_2$ オービフォールドにコンパクト化された、1つのユニバーサルな追加次元を持つモデルの枠組みを用いる。
• 太陽内での WIMP の捕獲と対消滅の形式的理論を適用し、太陽系の寿命にわたり捕獲率と対消滅率の平衡状態が成立すると仮定する。
• IceCube で検出可能な高エネルギーニュートリノを重点的に扱い、$B^{(1)}$ および $W^{3(1)}$ ダークマターの対消滅チャネルに基づいてニュートリノフラックスを計算する。
• IceCube の有効面積をエネルギー依存性としてモデル化し、大気ニュートリノのバックグラウンドレートを推定することで、検出可能閾値を決定する。
• 現在の IceCube データおよび予想される感度から、ダークマター質量とカルラツァ＝クラインクォークとの質量差（$m_{\text{DM}}$–$r_q$ 平面）に対する制約を導出する。
• この間接検出の制約を、スピン非依存およびスピン依存散乱断面積に注目して、直接検出実験の制約と比較分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の IceCube データは、ユニバーサルな追加次元モデルにおける $B^{(1)}$ および $W^{3(1)}$ カルラツァ＝クラインのダークマターのパラメータ空間をどの程度制約しているか？
• RQ2 太陽ニュートリノフラックスからの間接検出制約は、CDMS や XENON10 による直接検出限界と比較して、これらのダークマター候補に対してどのように異なるか？
• RQ3 近い将来の IceCube/DeepCore の感度は、$B^{(1)}$ および $W^{3(1)}$ ダークマターに対してどの程度のものであり、これに対して近い将来の直接検出実験と比較するとどうなるか？
• RQ4 なぜこのモデルにおいて IceCube は $B^{(1)}$ を他の WIMP 型ダークマター候補よりも感受性が高いのか？
• RQ5 スピン依存散乱断面積と対消滅分岐比は、これらのカルラツァ＝クラインのダークマター候補の検出可能性にどのように寄与しているか？

主な発見

• 現在の IceCube データは、核子とのスピン依存散乱断面積が大きいことから、CDMS や XENON10 といった直接検出実験よりも $B^{(1)}$ ダークマターに対してきびしい制約を与えている。
• $W^{3(1)}$ ダークマターに関しては、現在の IceCube の制約が CDMS や XENON10 よりわずかに弱く、直接検出が依然としてより感受性が高いため、この候補に対しては直接検出がより優位である。
• IceCube では、太陽の周囲 3° の視野内に、年間約 40 件の大気ニュートリノ由来のミューオンイベントが予想され、これはダークマター信号検出のバックグラウンド閾値を設定する。
• 3 年間の運用後、IceCube は太陽内でのダークマター対消滅によるニュートリノフラックスに対して、95% 確信区間で年間約 6〜7 件の上限を設定できると予想される。
• 将来の IceCube/DeepCore は、$m_{\text{DM}}$–$r_q$ パラメータ空間の広範な領域を探索可能であり、特に $B^{(1)}$ ダークマターに関しては、近い将来の直接検出実験（Super-CDMS や XENON100）を上回る感度を示す可能性がある。
• $B^{(1)}$ ダークマターは、主にタウレプトンおよびニュートリノへの対消滅を経由し、望遠鏡内で検出可能なミューオン信号を生成するため、IceCube による制約がより強く、より有利に働く。