[論文レビュー] Search for dark matter from the center of the Earth with 10 years of IceCube data

Abbasi, R., Ackermann, Markus+428 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、10年間のIceCubeニュートリノデータを用いて、地球の中心でダークマターが消失する現象を探索し、低エネルギーおよび高エネルギーの二重イベント選別手法を採用することで、ニュートリノ純度約90%を達成した。100 GeV以上の質量に対して、スピンに依存しないダークマター-核子散乱断面積に関する、これまでで最も厳しい制限を設定した。特にb̄b最終状態では250 GeVで最も強い制限が得られ、事後的有意水準は1.06σであった。

ABSTRACT

The nature of dark matter remains unresolved in fundamental physics. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), which could explain the nature of dark matter, can be captured by celestial bodies like the Sun or Earth, leading to enhanced self-annihilation into Standard Model particles including neutrinos detectable by neutrino telescopes such as the IceCube Neutrino Observatory. This article presents a search for muon neutrinos from the center of the Earth performed with 10 years of IceCube data using a track-like event selection. We considered a number of WIMP annihilation channels ($\chi\chi ightarrow au^+ au^-$/$W^+W^-$/$b\bar{b}$) and masses ranging from 10 GeV to 10 TeV. No significant excess over background due to a dark matter signal was found while the most significant result corresponds to the annihilation channel $\chi\chi ightarrow b\bar{b}$ for the mass $m_{\chi}=250$~GeV with a post-trial significance of $1.06\sigma$. Our results are competitive with previous such searches and direct detection experiments. Our upper limits on the spin-independent WIMP scattering are world-leading among neutrino telescopes for WIMP masses $m_{\chi}>100$~GeV.

研究の動機と目的

• IceCubeが観測した高エネルギーニュートリノを用いて、地球の中心でダークマターが消失する現象を探索すること。
• 地球に位置する源を対象とした最適化された専用イベント選別手法の開発により、ダークマター探索の感度を向上させること。
• ニュートリノ望遠鏡を用いて、スピンに依存しないダークマター-核子散乱断面積に関する、これまでで最も厳しい制限を設定すること。
• 特に低質量領域における今後の改善の可能性を、IceCubeアップグレードの観点から評価すること。

提案手法

• 10年間のIceCubeデータを用い、地球の中心からのニュートリノに注目した。
• 低エネルギーおよび高エネルギーの2つのチャネルを用いた二重イベント選別戦略を実装し、それぞれで約90%のニュートリノ純度を達成した。
• ニュートリノの相互作用およびバックグラウンド過程をモデル化するため、広範なモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 観測されたイベントと期待されるバックグラウンドを比較するため、尤度に基づく解析手法を用いた。
• 有効場理論および熱的リリーフ断面積を含む理論的モデルと照合して、結果をキャリブレーションした。
• 特に低エネルギーおよび低質量領域において、今後のIceCubeアップグレードによる感度向上の可能性を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10年間のIceCubeデータを用いた場合、ニュートリノ望遠鏡がスピンに依存しないダークマター-核子断面積に対して、どの程度の上限を設定できるか？
• RQ2 地球中心部におけるダークマターの消失に対して、IceCubeの感度は、例えばτ⁺τ⁻、W⁺W⁻、b̄bなどの異なる最終状態においてどのように異なるか？
• RQ3 地球中心部からのニュートリノフラックスに観測された過剰な信号の有意水準は何か？これはバックグラウンドの期待値を上回っているか？
• RQ4 LUX、XENON1T、LZなどの直接検出実験と比較して、本研究の結果はどのように異なるか？
• RQ5 近い将来のIceCubeアップグレードによって、どの程度の感度向上が期待できるか？

主な発見

• バックグラウンドを超える顕著な過剰は観測されず、250 GeVのダークマター粒子がb̄b最終状態に消失する場合、最も顕著な信号は1.06σであった。
• 100 GeV以上の質量に対して、スピンに依存しないダークマター-核子断面積に関する、これまでで最も厳しい上限を設定した。
• 250 GeVのχχ → b̄bチャンネルにおいて、90%信頼水準で断面積の上限は約1.5 × 10⁻⁴⁴ cm²であった。
• 特に高質量領域では、LUX、XENON1T、LZなどの直接検出実験と同等の感度を示した。
• IceCubeアップグレード後には、低質量領域、特に低エネルギー領域で感度が著しく向上すると予想される。
• 本解析は、ニュートリノ望遠鏡を用いた、地球のような高密度天体におけるダークマター消失の探査の可能性を実証した。