[論文レビュー] Search for the Kaluza-Klein Dark Matter with the AMANDA/IceCube Detectors

M. Danninger, K. Han|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、太陽内のWIMPの対消滅から生じる高エネルギーニュートリノを用いて、Kaluza-Klein暗黒物質（LKP）の探索を実施し、AMANDA-IIおよびIceCube-22のデータを用いる。スピン依存的LKP-陽子散乱断面積に対して競争的な感度を予測し、直接検出実験と同等の限界を達成し、理論的に動機付けられた500〜1500 GeVの質量範囲を探索する。

ABSTRACT

A viable WIMP candidate, the lightest Kaluza-Klein particle (LKP), is motivated by theories of universal extra dimensions. LKPs can scatter off nuclei in large celestial bodies, like the Sun, and become trapped within their deep gravitational wells, leading to high WIMP densities in the object's core. Pair-wise LKP annihilation could lead to a detectable high energy neutrino flux from the center of the Sun in the IceCube neutrino telescope. We describe an ongoing search for Kaluza-Klein solar WIMPs with the AMANDA-II data for the year 2001, and also present a UED dark matter sensitivity projected to 180 days from a study of data taken with the combined AMANDA II and IceCube detector in the year 2007. A competitive sensitivity, compared to existing direct and indirect search experiments, on the spin-dependent cross section of the LKP on protons is also presented.

研究の動機と目的

• 太陽内のWIMP対消滅から生じる高エネルギーニュートリノ信号を通じて、Kaluza-Klein暗黒物質（LKP）の探索を行う。
• AMANDA-IIおよびIceCube-22の検出器構成がLKPによって誘発されるミューオンフラックスに対して有する感度を評価する。
• LKPと陽子間のスピン依存的散乱断面積に対する制約を予測し、直接検出限界と比較する。
• Universal Extra Dimensions（UED）の文脈において、統合されたAMANDAおよびIceCubeデータの間接的暗黒物質検出における性能を評価する。

提案手法

• 2001年のAMANDA-II検出器および2007年のAMANDA-II + IceCube-22のデータを用い、検出器内でのニュートリノ相互作用から生じる上向きミューオンの探索を行う。
• 太陽が地平線以下にある（天頂角90°〜113°）間のデータを選択する太陽WIMP解析を適用し、地球をバックグラウンドフィルタとして用いる。
• 大気ミューオンにはCORSIKA、大気ニュートリノにはANIS、LKP信号生成にはWIMPSIMを用いたモンテカルロシミュレーションを実施。LKP質量は250 GeVから3000 GeVの範囲で扱う。
• 各対消滅チャンネルの有効体積 $V_{\text{eff}}$ を、信号確率密度関数の加重平均（branched ratiosに比例）を用いて計算する。
• ニュートリノからミューオンへの変換率 $\overline{\Gamma}_{\nu\rightarrow\mu}^{90\%}$ の90%信頼区間上限を算出し、チャンネル依存の定数を用いてそれらを対消滅率 $\overline{\Gamma}_{A}^{90\%}$ に変換する。
• 平衡条件 $\Gamma_{A} = C^{\odot}$ を用い、$\sigma_{\text{H,SD}} \simeq 0.597 \times 10^{-24} \text{pb} \cdot (m_{B^{(1)}}/1\text{TeV})^2 \cdot (\overline{\Gamma}_{A}^{90\%}/s^{-1})$ を介してスピン依存的断面積を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AMANDA-IIおよびIceCube-22の検出器構成は、太陽内のLKP対消滅から生じる高エネルギーニュートリノに対してどの程度の感度を有するか？
• RQ2 スピン依存的LKP-陽子散乱断面積に対する予測感度は、既存の直接検出限界と比較してどうなるか？
• RQ3 統合されたAMANDAおよびIceCubeデータは、Universal Extra Dimensionsモデルにおける理論的に予測されたLKP質量領域を探索可能か？
• RQ4 全量のIceCube-80検出器は、LKP WIMP理論に対する制約をどのように向上させるか？

主な発見

• IceCube-22 + AMANDAを用いた180日間のライブタイムにおいて、太陽内のLKP対消滅から生じるミューオンフラックスに対する90%信頼区間上限が達成され、LKP質量が約1 TeVの周辺で有効体積が最大で約1.2 km³に達する。
• LKP質量が500 GeVから1500 GeVの間のスピン依存的LKP-陽子散乱断面積に対する感度が $10^{-24}$ pbの範囲に予測され、直接検出実験の感度と同等である。
• 理論的予測（図3の色分け領域）におけるスピン依存的断面積は、KKクォーク質量に応じて $10^{-25}$ から $10^{-24}$ pbの範囲をカバーするが、予測感度はこの範囲の下限に位置する。
• 太陽におけるLKPの捕獲率はスピン依存的成分に支配されており、感度最適化の観点からこのチャンネルに焦点を当てる正当性がある。
• 加速器制約により300 GeV未満のLKP質量は除外され、WMAPの残存密度制約により1500 GeVを超える質量も除外され、有効なパラメータ空間が狭まる。
• 全量のIceCube-80検出器は感度を顕著に向上させると予想され、LKP対消滅から生じる $\nu_\mu$ の硬エネルギー特徴を活かして、LKP WIMPモデルに対する強い制約が得られる。