[論文レビュー] Searches for WIMP Dark Matter from the Sun with AMANDA

James Braun, Daan Hubert|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、AMANDAニュートリノ望遠鏡のデータを用いて、太陽からの中性ノイズ粒子の対消滅から生じる高エネルギーのミュオンニュートリノ信号を探索することで、弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）である暗黒物質に対する更新された制限を提示している。顕著な過剰は観測されなかったが、スピン依存性の中性ノイズ粒子-陽子断面積に対するきびしい制約が得られ、これは直接検出実験を1,000倍上回るものであり、低質量WIMP領域におけるMSSMパラメータ空間の探査においてニュートリノ望遠鏡が補完的役割を果たしていることを示している。

ABSTRACT

A well-known potential dark matter signature is emission of GeV - TeV neutrinos from annihilation of neutralinos gravitationally bound to massive objects. We present results from recent searches for high energy neutrino emission from the Sun with AMANDA, in all cases revealing no significant excess. We show limits on both neutralino-induced muon flux from the Sun and neutralino-nucleon cross section, comparing them with recent IceCube results. Particularly, our limits on spin-dependent cross section are much better than those obtained in direct detection experiments, allowing AMANDA and other neutrino telescopes to search a complementary portion of MSSM parameter space.

研究の動機と目的

• AMANDAのデータを用いて、太陽内の中性ノイズ粒子対消滅から生じる高エネルギーニュートリノ信号を探索すること。
• 従来のAMANDAおよびIceCubeの結果を上回り、50 GeVにまで及ぶ低質量WIMPの感度を向上させること。
• 特に直接検出実験がカバーできない領域において、MSSMの文脈でスピン依存性の中性ノイズ粒子-陽子断面積を制約すること。
• 直接検出実験とは異なった感度を持つニュートリノ望遠鏡が、MSSMパラメータ空間をどのように探査できるかを示すこと。

提案手法

• 大気ミュオン背景を低減するために、太陽が地平線下にある期間（太陽通過期間）にAMANDAの2000–2006年および2001–2003年走査データを選択した。
• 高速パターンマッチングと最尤推定法を用いてニュートリノ由来のミュオンイベントを特定し、軌道の角度不確実性、ヒットの滑らかさ、および下向きミュオン事前分布との尤度差にカットを適用した。
• イベント選別は、天頂角が80°未塔（2001–2003年分析では70°未塔）の上向きミュオンに焦点を当て、1年あたり約10^6件の下向きミュオン汚染を低減した。
• 観測イベント数の90%信頼区間上限をもとに、シミュレーションから得たエネルギー平均有効体積 $V_{\text{eff}}$ を用いてミュオンフラックスの上限を導出した。
• ニュートリノ由来のミュオンフラックスは $\Phi_{\mu} = \frac{\Gamma_A}{4\pi R^2} \int_{1~\text{GeV}}^{m_\chi} \frac{dN_\mu}{dE} dE$ により計算され、ここで $\Gamma_A$ は対消滅率を表す。
• 理論的モデル（DarkSUSYを用いて）を用いてスピン依存性およびスピン独立性断面積を導出し、太陽内を通過する際の吸収および振動効果を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AMANDAは、太陽内の中性ノイズ粒子対消滅から生じる高エネルギーニュートリノフラックスを検出可能か？
• RQ2 低質量WIMP（50–5000 GeV）における太陽WIMP対消滅からのミュオンフラックスの制限は何か？
• RQ3 AMANDAが得たスピン依存性中性ノイズ粒子-陽子断面積の制限は、直接検出実験のものと比べてどう異なるか？
• RQ4 AMANDAのようなニュートリノ望遠鏡は、直接検出実験がカバーできないMSSMパラメータ空間のどの程度を探査できるか？

主な発見

• 太陽からのニュートリノ由来ミュオンイベントの顕著な過剰は観測されず、バックグラウンドのみの期待と整合的であった。
• 50 GeVの中性ノイズ粒子が $\tau^+\tau^-$ に対消滅する場合、ミュオンフラックスの90%上限は $1.21 \times 10^5~\text{km}^{-2}\text{y}^{-1}$ であった。
• 50 GeVの中性ノイズ粒子に対して、スピン依存性中性ノイズ粒子-陽子断面積の上限は $4.80 \times 10^{-38}~\text{cm}^2$ に達し、直接検出実験の上限を1,000倍も上回った。
• AMANDAのスピン依存性断面積制限は、CDMS、KIMS、COUPPのものよりもきびしく、特に低質量WIMPに対して顕著であった。
• 1000 GeVの中性ノイズ粒子に対しては、スピン依存性断面積の上限が $1.01 \times 10^{-39}~\text{cm}^2$ に達し、MSSMパラメータ空間への強い感度を示した。
• 本結果は、AMANDAやIceCubeのようなニュートリノ望遠鏡が、直接検出実験では制限されないMSSMパラメータ空間の領域を補完的に探査できることを示している。