[論文レビュー] Searches for Connections between Dark Matter and High-Energy Neutrinos with IceCube

R. Abbasi, M. Ackermann+384 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、アイスカウブ・ニュートリノ観測所が検出した高エネルギー・ニュートリノを用いて、ダークマターの探索を実施し、崩壊および散乱の両チャネルを分析している。顕著な信号は観測されなかったが、keV–MeVスケールの媒介粒子を想定した場合、従来の宇宙論的制約を上回る、より厳密なダークマター結合定数の上限が得られた。

ABSTRACT

In this work, we present the results of searches for signatures of dark matter decay or annihilation into Standard Model particles, and secret neutrino interactions with dark matter. Neutrinos could be produced in the decay or annihilation of galactic or extragalactic dark matter. Additionally, if an interaction between dark matter and neutrinos exists then dark matter will interact with extragalactic neutrinos. In particular galactic dark matter will induce an anisotropy in the neutrino sky if this interaction is present. We use seven and a half years of the High-Energy Starting Event (HESE) sample data, which measures neutrinos in the energy range of approximately 60 TeV to 10 PeV, to study these phenomena. This all-sky event selection is dominated by extragalactic neutrinos. For dark matter of $\sim$ 1 PeV in mass, we constrain the velocity-averaged annihilation cross section to be smaller than $10^{-23}$cm$^3$/s for the exclusive $\mu^+\mu^-$ channel and $10^{-22}$ cm$^3$/s for the $b\bar b$ channel. For the same mass, we constrain the lifetime of dark matter to be larger than $10^{28}$ s for all channels studied, except for decaying exclusively to $b\bar b$ where it is bounded to be larger than $10^{27}$ s. Finally, we also search for evidence of astrophysical neutrinos scattering on galactic dark matter in two scenarios. For fermionic dark matter with a vector mediator, we constrain the dimensionless coupling associated with this interaction to be less than 0.1 for dark matter mass of 0.1 GeV and a mediator mass of $10^{-4}~$ GeV. In the case of scalar dark matter with a fermionic mediator, we constrain the coupling to be less than 0.1 for dark matter and mediator masses below 1 MeV.

研究の動機と目的

• アイスカウブのデータを用いて、高エネルギー・ニュートリノへのダークマターの崩壊および散乱の兆候を探索すること。
• keV–MeVスケールの質量範囲におけるダークマター–ニュートリノ散乱結合定数の制約を強化すること。
• 銀河中心および銀河外源からのダークマター信号に対するアイスカウブの感度を評価すること。
• 銀河外の拡散的ダークマター検出に際して、天体的ニュートリノ背景の影響を評価すること。
• 検出器のアップグレードおよびより良い氷のモデル化による、将来的な感度向上の可能性を同定すること。

提案手法

• アイスカウブ検出器が得た高エネルギー・ニュートリノイベントを用い、タウおよび電子ニュートリノ由来と整合するものを焦点としている。
• 方向性およびエネルギーに基づく再構成技術を適用し、銀河中心および銀河外源からの潜在的なダークマター信号を同定している。
• 尤度に基づく統計的解析を実施し、ダークマターの崩壊および散乱断面積の上限を設定している。
• スカラーまたはフェルミオン的媒介粒子を有するダークマターの理論的モデルを組み込み、keV–MeVスケールに焦点を当てている。
• ニュートリノのエントロピー移動および小スケールの摂動減衰に基づく、宇宙論的限界と結果を比較している。
• モンテカルロシミュレーションを用いて背景（特に拡散的天体的ニュートリノフラックス）をモデル化し、感度への影響を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウブは、銀河中心におけるダークマターの崩壊または散乱に起因する高エネルギー・ニュートリノを検出可能か？
• RQ2 現在のアイスカウブによるダークマター–ニュートリノ結合定数の制約は、既存の宇宙論的制約と比べてどうか？
• RQ3 特にニュートリノ散乱の文脈において、keV–MeVスケールの媒介粒子を有するダークマターに対するアイスカウブの感度はいかほどか？
• RQ4 拡散的天体的ニュートリノフラックスの不確実性が、銀河外のダークマター信号検出をどの程度制限するか？
• RQ5 アイスカウブ・アップグレードおよびアイスカウブ・ジェン2の将来的なアップグレードにより、高質量ダークマターおよび拡散的ニュートリノ背景に対する感度はどの程度向上するか？

主な発見

• 高エネルギー・ニュートリノイベントの顕著な過剰は観測されず、背景のみの期待と整合的であった。
• スカラー的ダークマターおよびフェルミオン的媒介粒子を有するモデルにおいて、ダークマター–ニュートリノ結合定数の上限が強化され、パラメータ空間の広い領域で既存の宇宙論的境界を上回った。
• ベクトル的媒介粒子を有するフェルミオン的ダークマターの場合、特にkeV–MeVスケールで、以前の宇宙論的限界を上回るより厳密な制約が得られた。
• 最も顕著な信号的チャネルは、ダークマターがニュートリノに崩壊または散乱する場合に観測され、今後の探索においてこのようなチャネルの重要性が浮き彫りになった。
• 氷の光学的性質の不確実性が、高エネルギーのタウおよび電子ニュートリノイベントの角度分解能の制限要因のまま残っている。
• 将来のアイスカウブ・アップグレードおよびアイスカウブ・ジェン2は、特に高質量ダークマターおよび拡散的銀河外信号に対して、感度を顕著に向上させると予想される。