[論文レビュー] Search for relic neutralinos with Milagro

Lazar Fleysher|arXiv (Cornell University)|May 5, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ミラグラ水シャワー検出器を用いて、リリック中性ノイマイノ（候補ダークマター粒子）がガンマ線に消失する過程を探索した。顕著な信号は観測されなかったが、中性ノイマイノと陽子の散乱断面積、局所的ダークマター密度、および1回の消失イベントあたりの光子生成率の積に対する厳密な上限が設定され、中性ノイマイノ質量が1 TeVまでに及ぶ超対称的ダークマター模型を制約した。

ABSTRACT

The neutralino, the lightest stable supersymmetric particle, is a strong theoretical candidate for the missing astronomical "dark matter". Depending on their annihilation cross section, relic neutralinos from early formation of the Universe trapped in orbits around massive objects may currently be annihilating at measurable rates. The Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model predicts that the gamma rays emerging from one of the annihilation modes will give a distinct monochromatic signal with energy between 100GeV and 10TeV, depending on the neutralino mass. An additional "continuum" spectrum signal of photons will be produced by the decay of secondaries produced in the non-photonic annihilation modes. Milagro is an air shower array which uses the water Cherenkov technique and is capable of detecting TeV gamma rays from the direction of the Sun with an angular resolution of less than a degree. It is the first instrument capable of establishing a limit on the gamma-ray flux from neutralino annihilations near the Sun. In this report results of a search for neutralino to photon annihilation with the Milagro gamma-ray observatory are presented.

研究の動機と目的

• 超対称性によって予言されるリリック中性ノイマイノが、消失によって検出可能なガンマ線信号を生成できるかどうかを検証すること。
• 地上型TeVガンマ線観測所を用いて、太陽近傍の中性ノイマイノ消失からのガンマ線フラックスに対する最初の実験的上限を確立すること。
• 中性ノイマイノと陽子の散乱断面積、局所的ダークマター密度、および1回の消失イベントあたりの光子生成率の積を制約すること。
• 太陽系内の中性ノイマイノ消失による単色および連続スペクトルガンマ線信号の検出可能性を評価すること。

提案手法

• 高エネルギーの太陽からのガンマ線によって引き起こされる広大な空気シャワーを観測するために、ミラグラ水チェレンコフ検出器を用いた。
• 角度分解能、エネルギー推定、粒子種別識別を含むイベント再構築技術を適用し、宇宙線背景からガンマ線を区別した。
• 太陽系内の中性ノイマイノ消失密度のモンテカルロシミュレーションを実施し、消失の40〜50％が太陽外部で発生していることを示した。
• バックグラウンド強度について事前の知識がないと仮定し、ネイマン＝ピアソン基準に基づく統計的仮説検定を用いてガンマ線フラックスの上限を設定した。
• 未知のバックグラウンドレベルに依存しない、信号対バックグラウンドの尤度比に基づく検定を構築し、保守的な臨界領域を用いた。
• 観測されたフラックス上限を、異なる中性ノイマイノ質量に対してσpχ、ρ₀、およびbγの積への制約に翻訳した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系に捕らわれたリリック中性ノイマイノが、消失によって検出可能な単色ガンマ線信号を生成できるか？
• RQ2 太陽外部で発生する中性ノイマイノ消失が、太陽領域の総ガンマ線フラックスに与える期待される寄与は何か？
• RQ3 ミラグラデータを用いて、太陽近傍の中性ノイマイノ消失からのガンマ線フラックスにどの程度の上限を設定できるか？
• RQ4 信号が検出されなかったことにより、中性ノイマイノと陽子の散乱断面積、局所的ダークマター密度、および光子生成率の積はどの程度制約されるか？

主な発見

• 太陽の方向からの顕著なガンマ線信号は観測されず、消失する中性ノイマイノのフラックスに対する厳密な上限が得られた。
• 1 TeVの中性ノイマイノの場合、連続的バックグラウンドが存在しないと仮定した場合、中性ノイマイノと陽子の散乱断面積、局所的ダークマター密度、および光子生成率の積の上限は2.3未満であった。
• モンテカルロシミュレーションにより、中性ノイマイノの消失の40〜50％が太陽外部で発生していることが示され、拡散的信号の検出可能性が向上する可能性がある。
• 統計的手法により、バックグラウンド強度についての事前の知識がなくても上限を設定でき、未知のバックグラウンド強度に不変な尤度比検定を用いた。
• 本研究は、地上型TeV検出器を用いて、太陽近傍の中性ノイマイノ消失からのガンマ線フラックスに対する最初の実験的上限を提供した。