[論文レビュー] Neutrinos from the Sun can discover dark matter-electron scattering

Tarak Nath Maity, Akash Kumar Saha+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、アイスカイブやディープコアなどのニュートリノ望遠鏡を用いて、太陽からの高エネルギーニュートリノを用いて、ダークマター-電子散乱を探索する手法を提案している。太陽内で捕獲されたダークマターの対消滅から生じるニュートリノ信号を解析することにより、10 GeV から 100 TeV の広い質量範囲において、現在までに得られた中で最も厳しい制約をダークマター-電子散乱断面積に対して設定しており、今後の発見可能性も示している。

ABSTRACT

We probe dark matter-electron scattering using high-energy neutrino observations from the Sun. Dark matter (DM) interacting with electrons can get captured inside the Sun. These captured DM may annihilate to produce different Standard Model (SM) particles. Neutrinos produced from these SM states can be observed in IceCube and DeepCore. Although there is no excess of neutrinos in the solar direction, we find that the current datasets of IceCube and DeepCore set the strongest constraint on the DM-electron scattering cross section in the DM mass range $10$\,GeV to $10^5$\,GeV. Therefore our work implies that future observations of the Sun by neutrino telescopes have the potential to discover the DM-electron interaction.

研究の動機と目的

• 太陽ニュートリノ観測がダークマター-電子散乱のプローブとして有効であるかを検討すること。
• 既存のニュートリノ望遠鏡データを用いて、非重力的ダークマター相互作用を検出する新たな高感度チャネルを同定すること。
• 10 GeV–100 TeV の広い質量範囲において、ダークマター-電子散乱断面積に対して最も厳しい制約を設定すること。
• 今後のニュートリノ望遠鏡が太陽を観測することで、ダークマター-電子散乱相互作用を発見できる可能性を示すこと。
• 特にレプチルフィリックダークマターモデルにおいて、太陽内でのダークマター捕獲と対消滅の可能性を評価すること。

提案手法

• ダークマターを、電子散乱による太陽内捕獲を仮定し、その後、$\tau^+\tau^-$、$e^+e^-$、$\nu\bar{\nu}$ などの標準模型最終状態に崩壊する対消滅を想定する。
• ダークマター対消滅から生じる標準模型粒子の崩壊に起因するニュートリノ生成を、電弱補正およびハドロン化効果を含めてシミュレートする。
• ニュートリノの伝播および検出シミュレーションを用いて、アイスカイブおよびディープコアにおける観測可能なニュートリノフラックスを予測し、エネルギー分解能および方位分解能を考慮する。
• 予測されたニュートリノイベントレートを、アイスカイブ（2016年、2021年）およびディープコア（2016年、2021年）の実際のデータと比較し、除外限界を導出する。
• 太陽の大気ニュートリノ背景を考慮し、「ν-Mist」法を用いてモデル依存の不確実性を評価し、感度の下限を定義する。
• 捕獲されたダークマターが太陽内で熱平衡に達するまでの時間の評価を行い、定常状態近似の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のアイスカイブおよびディープコアの太陽からの高エネルギーニュートリノデータは、ダークマター-電子散乱に対して競争力のある制約を設定できるか？
• RQ2 10 GeV から 100 TeV の質量を有するダークマターが電子散乱を通じて、太陽ニュートリノ望遠鏡でどれほど感度を持つのか？
• RQ3 太陽内でのダークマター対消滅から生じるニュートリノ信号は、特に太陽大気ニュートリノ背景と比べてどの程度顕著か？
• RQ4 ダークマターの太陽内捕獲と対消滅が平衡状態に達するのはどのような条件下か？ また、これにより検出可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 今後のニュートリノ望遠鏡による太陽観測は、現在の実験的限界を超えて、ダークマター-電子散乱相互作用を発見できるか？

主な発見

• 現在のアイスカイブおよびディープコアのデータセットは、10 GeV から 100 TeV のダークマター質量範囲において、ダークマター-電子散乱断面積に対して、現在までに得られた中で最も厳しい制約を設定している。
• ダークマターが $\tau^+\tau^-$ に対消滅する場合、ディープコア（2021年）およびアイスカイブ（2016年）のデータによる制約は、10–100 TeV 範囲において XENON1T や スーパークラスKの制約を上回っている。
• $\nu\bar{\nu}$ 最終状態の制約は、10–100,000 GeV の全質量範囲で、従来の限界を上回っており、特に 100–1000 GeV の領域で顕著である。
• $e^+e^-$ 最終状態の場合、電弱ブレムストラールが主なニュートリノ源となる 500 GeV 以上の領域では、外挿された XENON1T の限界と競合する制約が得られている。
• 図5に示された各等高線の上を越える質量（10 GeV、100 GeV、900 GeV）において、捕獲されたダークマターが太陽内で熱平衡に達するまでの時間は、太陽年齢（約4.6 Gyr）未満である。
• 3 × 10⁻²⁶ cm³/s の保守的な熱的リリック対消滅断面積でさえも、10 GeV、100 GeV、900 GeV のダークマター質量において、太陽内で平衡状態に達可能であり、解析で用いられた定常状態近似の妥当性が裏付けられている。