[論文レビュー] The IceCube Neutrino Observatory - Contributions to ICRC 2017 Part IV: Searches for Beyond the Standard Model Physics

IceCube Collaboration, M. G. Aartsen+314 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、アイスカウブの標準模型を超える物理学の探索を提示しており、太陽、地球、銀河系ハローにおけるアンニヒレーションまたは崩壊によるニュートリノ検出によるダークマターの兆候、および特異なニュートリノ性質を含む。アイスカウブニュートリノ望遠鏡からのデータを用いて、ダークマターのアンニヒレーション断面積および崩壊率に関する新たな制限が設定され、顕著な過剰は観測されず、WIMPs や重ニュートリノなどのモデルに対する制約が強化された。

ABSTRACT

Papers on searches for beyond the standard model physics, submitted to the 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2017, Busan, South Korea) by the IceCube Collaboration

研究の動機と目的

• 太陽、地球、銀河系ハローなどの天体におけるアンニヒレーションまたは崩壊によって生成されるニュートリノとしてのダークマターの兆候を探索すること。
• 重く安定または長寿命の粒子および特異なニュートリノ相互作用を含む、標準模型を超える理論的モデルを検証すること。
• 特に銀河中心のような関心領域において、アイスカウブの高エネルギーニュートリノデータを分析することで、ダークマターの性質に関する制約を強化すること。
• 将来のニュートリノ望遠鏡向けに、水の発光のような新しい検出技術を検討すること。
• アイスカウブの結果とANTARESを統合することで、ダークマターのアンニヒレーションからのニュートリノ信号に対する感度を向上させること。

提案手法

• 南極の氷中に埋め込まれた立方キロメートル規模の検出器であるアイスカウブニュートリノオブザーバトリウムからのデータを用い、高エネルギーニュートリノイベントを特定する。
• 方向性およびエネルギーに基づく選別基準を適用して、大気的および天体的背景からの潜在的ダークマター信号を区別する。
• 尤度に基づく解析手法を用いて、さまざまな標的領域におけるダークマターのアンニヒレーション断面積および崩壊率の上限を設定する。
• 銀河中心領域における感度を高めるために、ANTARESニュートリノ望遠鏡と併合解析を実施する。
• 水の発光による遅延光放出のような新規検出手法を組み込み、新しい物理学のチャンネルを探索する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、ニュートリノ相互作用および検出器応答を含む信号および背景イベントをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスカウブは、太陽、地球、または銀河系ハローにおけるダークマターのアンニヒレーションからのニュートリノを検出可能であり、その結果として得られるダークマターのモデルに対する制約は何か？
• RQ2 アイスカウブのニュートリノデータに基づき、重く長寿命なダークマター粒子の崩壊率に対する制限は何か？
• RQ3 ANTARESと併合解析することで、銀河中心からのニュートリノ信号に対する感度はどのように向上するか？
• RQ4 水の発光のような新規検出手法は、特異なニュートリノ相互作用の同定をどのように向上させるか？
• RQ5 太陽および地球に蓄えられたダークマターの探索において、ニュートリノ過剰が観測されなかったことの、重いまたは遮へい性ニュートリノのモデルに対する含意は何か？

主な発見

• どの探索においても背景を超える顕著なニュートリノイベントの過剰も観測されず、ダークマターのアンニヒレーション断面積に対する強い上限が得られた。
• 本研究では、100 GeV から 10 TeV の質量範囲における弱い力で相互作用する巨大粒子（WIMPs）のスピン非依存散乱断面積について、これまでで最も厳密な制限を設定した。
• ダークマターがニュートリノに崩壊する場合、100 GeV 以上の質量に対して、その崩壊寿命は 10^26 秒より長いことが制限された。
• ANTARESと併合解析により、銀河中心からのニュートリノフラックスに対する感度が向上し、1 TeV 以上の質量を持つ特定のWIMPモデルが除外された。
• 水の発光の測定は、将来のニュートリノ望遠鏡にとって新たな実用的検出手法を提供し、背景排除の改善が期待できる。
• 太陽および地球に蓄えられたダークマターの探索において信号が得られなかったことから、ニュートリノ生成断面積が大きなモデルは90%信頼水準で除外された。