[論文レビュー] Search for relativistic magnetic monopoles with five years of the ANTARES detector data

A. Albert, M. André+119 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Mar 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 49被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、アンタレーズニュートリノ望遠鏡の5年間のデータを用いて、深海水中の相対論的粒子からのチェレンコフ光を分析し、相対論的磁気モノポール（MM）の探索を行った。信号は観測されなかったが、チェレンコフ閾値（$β \geq 0.74$）を超える領域におけるMMのフラックスに対する90%信頼水準の上限が、これまでの結果を上回るより厳密な値となり、ニュートリノ望遠鏡がこうした未知の粒子に対して感度を示すことを示した。

ABSTRACT

A search for magnetic monopoles using five years of data recorded with the ANTARES neutrino telescope from January 2008 to December 2012 with a total live time of 1121 days is presented. The analysis is carried out in the range $β$ $>$ $0.6$ of magnetic monopole velocities using a strategy based on run-by-run Monte Carlo simulations. No signal above the background expectation from atmospheric muons and atmospheric neutrinos is observed, and upper limits are set on the magnetic monopole flux ranging from $5.7 imes 10^{-16}$ to $1.5 imes 10^{-18}$ cm$^{-2} \cdot $ s$^{-1} \cdot $ sr$^{-1}$.

研究の動機と目的

• チェレンコフ光検出を用いて、深海ニュートリノ望遠鏡のデータから相対論的磁気モノポール（MM）を探索すること。
• 最適化されたイベント再構築とバックグラウンド抑制を用いて、アンタレーズの5年間のデータを分析することで、MMに対する感度を向上させること。
• 特にチェレンコフ閾値（$\beta \geq 0.74$）を超える領域における、相対論的磁気モノポールのフラックスに対する新たな上限を設定すること。
• ニュートリノ望遠鏡が、磁気モノポールのような未知の粒子を検出する検出器として果たす性能を評価すること。
• 将来的な実験、特に体積が大きく、装置性能が向上したことで感度が向上するKM3NeTの基準を提供すること。

提案手法

• 2008年から2012年までの5年間のアンタレーズデータを用い、有効時間は1,012日分に相当する。
• ヒットパターン（$N_{\text{hit}}$）、シャワー開口角（$\alpha$）、再構築された速度（$\beta_{\text{fit}}$）に基づく多変数選別を適用し、潜在的なMM候補を同定した。
• 分析を2つの領域に分けた：$\beta_{\text{fit}}$ を自由パラメータとして扱う領域（$\beta < 0.74$）と、$\beta_{\text{fit}} = 1$ と固定する領域（$\beta \geq 0.74$）とし、排他的なイベントサンプルを確保した。
• バックグラウンドの代理として大気ミューオンデータを用い、信号領域への外挿には慎重な仮定を適用した。
• バックグラウンドを低減する最終的なカットを適用し、高エネルギー領域のビンでは$\alpha$および$N_{\text{hit}}$に対してより厳しい制約を課した。
• 観測されたイベント数と期待されるバックグラウンドを用いて、90%信頼水準（C.L.）におけるMMフラックスの上限を計算した。

Figure 1: The total number of Cherenkov photons with wavelengths between 300 and 600 nm that are directly produced per centimeter path length by a MM with $g=g_{D}$ , as a function of its velocity ( $\beta$ ). The number of photons produced by $\delta$ -rays with Mott cross section model [ 22 ] and

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンタレーズニュートリノ望遠鏡は、5年間のデータにおいて、相対論的磁気モノポールに対してどの程度の感度を示すか？
• RQ2 再構築された運動量変数（$\beta_{\text{fit}}$、$\alpha$、$N_{\text{hit}}$）は、バックグラウンドから潜在的な磁気モノポールイベントをどのように区別するのだろうか？
• RQ3 特にチェレンコフ閾値を超える領域における、相対論的磁気モノポールのフラックスの上限は何か？
• RQ4 アイスカイブ、マクロ、バイカルなどの過去の実験と比較し、理論的限界ともどのように一致するか？
• RQ5 アンタレーズや将来のKM3NeTのようなニュートリノ望遠鏡は、非常に相対論的な磁気モノポールをどの程度検出可能だろうか？

主な発見

• 大気的バックグラウンドの期待値を超える有意な信号は観測されず、高エネルギー領域（$\beta \geq 0.74$）では1件のイベントがバックグラウンドと整合するにとどまった。
• 最初の5つの速度ビン（$\beta_{\text{fit}}$ が自由パラメータ）におけるバックグラウンドの合計期待値は5.4イベントであったが、観測されたのは1件にとどまり、保守的なバックグラウンド外挿がなされたことが示された。
• $\beta \geq 0.74$ の領域では、アンタレーズの90% C.L.における磁気モノポールフラックスの上限が、これまでに得られた中で最も厳密なものとなった。
• この上限は、質量 $M > 10^{10}$ GeV/$c^2$ の磁気モノポールに対して有効であり、地球を通過する粒子に該当する。
• この分析により、ニュートリノ望遠鏡が、高エネルギーで高イオン化シャワーを解像できる能力を活かして、相対論的磁気モノポールを検出するのに適した検出器であることが示された。
• 将来のKM3NeT検出器は、より大きな体積と向上した検出性能のおかげで、磁気モノポールに対する感度が著しく向上すると予想される。

Figure 2: The distribution of the reconstructed $\beta_{fit}$ for atmospheric muons (red histogram) with an uncertainty band of 35% (filled in gray), atmospheric neutrinos (blue histogram) and data (points with error bars). For comparison, the distributions of the reconstructed $\beta_{fit}$ for MMs