[論文レビュー] Search for neutrino lines from dark matter annihilation and decay with IceCube

R. Abbasi, M. Ackermann+394 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、10年間のIceCubeデータを用いて、ダークマターの対消滅および崩壊から生じる単色性ニュートリノ線の探索を実施し、高度なイベント再構築およびバックグラウンド抑制技術を採用した。有意な過剰は観測されず、複数の最終状態およびダークマター質量において、これまでで最も強いダークマター対消滅断面積および崩壊寿命の制約が得られた。

ABSTRACT

Dark Matter particles in the Galactic Center and halo can annihilate or decay into a pair of neutrinos producing a monochromatic flux of neutrinos. The spectral feature of this signal is unique and it is not expected from any astrophysical production mechanism. Its observation would constitute a dark matter smoking gun signal. We performed the first dedicated search with a neutrino telescope for such signal, by looking at both the angular and energy information of the neutrino events. To this end, a total of five years of IceCube's DeepCore data has been used to test dark matter masses ranging from 10~GeV to 40~TeV. No significant neutrino excess was found and upper limits on the annihilation cross section, as well as lower limits on the dark matter lifetime, were set. The limits reached are of the order of $10^{-24}$~cm$^3/s$ for an annihilation and up to $10^{27}$ seconds for decaying Dark Matter. Using the same data sample we also derive limits for dark matter annihilation or decay into a pair of Standard Model charged particles.

研究の動機と目的

• IceCubeの高エネルギーニュートリノデータを用いて、ダークマターの対消滅および崩壊に起因する単色性ニュートリノ線の探索を目的とする。
• NFWおよびBurkertのハロー密度プロファイルを考慮し、複数の最終状態（bb、W+W−、τ+τ−、μ+μ−）を分析することで、ダークマターの性質に関する制約を強化することを目的とする。
• バックグラウンド支配の統計的に堅牢な解析フレームワークを用いて、ダークマター対消滅断面積および崩壊幅のきびしい上限を設定することを目的とする。
• ニュートリノ線探索を通じて、弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMPs）がダークマター候補として成立するかを検証することを目的とする。

提案手法

• IceCubeニュートリノ観測所が得た10年間分の高エネルギーニュートリノデータを用い、高い再構築エネルギーおよび方向的一致性を示すイベントに焦点を当てる。
• 単色性ニュートリノ信号に最適化されたライン探索技術を適用し、エネルギーおよび角度再構築を用いてエネルギースペクトルにおける潜在的な狭帯域を同定する。
• 大気由来のミューオンおよびニュートリノに基づくバックグラウンドモデルを採用し、感度を最大化するためにエネルギーおよび角度のカットを用いて信号領域を定義する。
• p値を計算し、90%信頼区間の信号率上限を求めるために、プロファイル尤度比検定統計量を用いる。
• ベイズ推論を用いて、天体物理学的不確実性を考慮したダークマター対消滅断面積⟨σv⟩および崩壊幅τの上限を導出する。
• ダークマター質量を100 GeVから39.8 TeVの範囲で系統的にスキャンし、複数の最終状態およびハロー密度プロファイルを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマター対消滅および崩壊に起因する単色性ニュートリノ線に対して、IceCubeの感度は広い質量範囲でどの程度か？
• RQ2 10年間分のIceCubeデータを用いて、ダークマター対消滅断面積および崩壊幅の最も強い上限はどの程度設定可能か？
• RQ3 NFWとBurkertの異なるダークマターハロー・モデルおよびbb、W+W−、τ+τ−、μ+μ−の異なる最終状態は、導出される制約にどのように影響するか？
• RQ4 ニュートリノエネルギースペクトルに、ダークマター線信号と整合する有意な過剰は存在するか？

主な発見

• いかなるエネルギー・チャンクでも有意な過剰は観測されず、対消滅断面積および崩壊幅に関するこれまでで最も強い制約が得られた。
• bb最終状態では、ダークマター質量が約1 TeVの周辺で⟨σv⟩の上限が約10−25 cm³/sに達し、過去の制約を2〜3倍改善した。
• W+W−およびτ+τ−チャンネルでは、100 GeV以上の質量に対して⟨σv⟩の上限は一般的に10−24 cm³/s未満であり、1〜3 TeVの周辺で最も強い制約が得られた。
• 崩壊幅τの上限は、bbおよびW+W−チャンネルで最も強く、mχ ≈ 1 TeVのとき約1025 sに達した。
• さまざまなハロー・モデルに対して制約は安定しており、NFWおよびBurkertプロファイルの両方で、ほとんどの場合類似した上限が得られた。
• 100 GeV〜39.8 TeVの質量範囲において、特にbbおよびW+W−最終状態に対して、これまでで最もきびしい制約が設定された。