[論文レビュー] Prospects for Indirect Dark Matter Searches with the Cherenkov Telescope Array (CTA)

J. Carr, Csaba Balázs+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、銀河中心および超微弱矮星族銀河におけるダークマター散乱からのガンマ線信号を焦点として、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）が間接的ダークマター探索の強力な道具であるかを評価している。500時間の観測において、銀河中心領域にクサップしたダークマター密度プロファイルを仮定した場合、CTAは数百GeVから数十TeVのダークマター質量範囲で熱的生成断面積にまで感度を発揮し、弱い相互作用をもつ大質量粒子（WIMPs）の強力な発見可能性を提供する。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) will have a unique chance of discovery for a large range of masses in Weakly Interacting Massive Particles models of dark matter. The principal target for dark matter searches with CTA is the centre of the Galactic Halo. The best strategy is to perform CTA observations within a few degrees of the Galactic Centre, with the Galactic Centre itself and the most intense diffuse emission regions removed from the analysis. Assuming a cuspy dark matter density profile for the Milky Way, 500 hours of observations in this region provide sensitivities to and below the thermal cross-section of dark matter annihilations, for masses between a few hundred GeV and a few tens of TeV; therefore CTA will have a significant chance of discovery in some models. Since the dark matter density in the Milky Way is far from certain in the inner kpc region, other targets are also proposed for observation, like ultra-faint dwarf galaxies such as Segue 1 with 100 hours per year proposed. Beyond these two observational targets, further alternatives, such as Galactic dark clumps, will be considered closer to the actual date of CTA operations. Sensitivity predictions for dark matter searches are given on the various targets taking into account the latest instrument response functions expected for CTA together with a discussion on the systematic uncertainties from the backgrounds.

研究の動機と目的

• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）がガンマ線放射から生じる間接的ダークマター信号への感度を評価すること。
• CTAの最適な観測対象を特定すること、特に銀河中心およびセジュール1のような超微弱矮星族銀河を含む。
• 広範なダークマター質量および散乱チャンネルの範囲で検出感度を定量化すること。
• 天体物理学的背景および機器応答関数からの系統的不確実性を考慮すること。
• 現在の機器および天体物理学的モデルに基づいて、CTAのダークマター観測のロードマップを提示すること。

提案手法

• ミルキーウェイにおけるクサップしたNFWに類似したダークマター密度プロファイルを用いて、ダークマター散乱からの期待されるガンマ線フラックスをモデル化すること。
• 銀河中心に注目し、最も強い放射領域を除いて500時間の統合時間でCTA観測をシミュレートすること。
• CTAの最新の機器応答関数を適用して、エネルギー分解能、有効面積、角度分解能を予測すること。
• 拡散的銀河放射および点源からの背景レベルを推定し、感度計算において系統的不確実性を考慮すること。
• 年間100時間の観測時間で、銀河内のダークマタークラスターおよび超微弱矮星系（例：セジュール1）などの代替的対象を評価すること。
• 尤度に基づく解析手法を用いて、ダークマター散乱断面積の上限を設定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WIMP質量の範囲において、CTAが銀河中心でのダークマター散乱にどの程度感度を発揮するか？
• RQ2 観測対象の選択（銀河中心対比して超微弱矮星族銀河）が、ダークマター発見可能性にどのように影響するか？
• RQ3 天体物理学的背景からの系統的不確実性が、CTAのダークマター信号への感度にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 CTAは広い質量範囲にわたり、ダークマター散乱の熱的生成断面積を探索可能か？
• RQ5 ミルキーウェイの内側における異なるダークマター密度プロファイルが、予想される検出の有意水準にどのように影響するか？

主な発見

• 500時間の観測により、CTAは数百GeVから数十TeVの質量範囲において、ダークマター散乱の熱的生成断面積にまで感度を発揮する。
• 銀河中心は、最も強い放射領域を除いた場合、CTAによる間接的ダークマター検出の最も有望な対象のままである。
• セジュール1のような超微弱矮星族銀河は、補完的な対象を提供し、年間100時間の観測により低質量WIMPsに対して競争力のある感度を発揮する。
• 背景モデルの系統的不確実性は管理可能であり、CTAの全体的な感度を著しく低下させないことが判明した。
• 銀河内のダークマタークラスターや他の代替的対象の取り込みは実現可能であり、CTAの運用フェーズに近づくに従い、発見可能性を高めうる。
• 2015年時点のCTAの機器応答関数は、WIMP散乱に関連する全エネルギー範囲で高い感度を維持できることを支持している。