[논문 리뷰] Searches for Connections between Dark Matter and High-Energy Neutrinos with IceCube

R. Abbasi, M. Ackermann외 384명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 아이스커크루스 중성자율 관측소에서 검출된 고에너지 중성자율을 이용해 암흑물질을 탐색하며, 붕괴 및 융합 채널을 모두 분석한다. 유의미한 신호가 없음에도 불구하고, 특히 킬로전자볼트에서 메가전자볼트 범위의 매개입자에 대해 암흑물질 결합 강도에 대한 향상된 제한을 설정하였으며, 매개변수 공간의 핵심 영역에서 이전의 천체물리적 제약을 뛰어넘었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 아이스커크루스 데이터를 이용해 고에너지 중성자율로의 암흑물질 붕괴 및 융합 신호를 탐색하기 위해.
• 킬로전자볼트에서 메가전자볼트 범위의 질량에서 암흑물질-중성자율 산란 결합 강도에 대한 제약을 향상시키기 위해.
• 은하계 및 은하간 원천에서 오는 암흑물질 신호에 대한 아이스커크루스의 민감도 평가하기 위해.
• 은하간 암흑물질을 탐지할 때 천체물리적 중성자율 배경이 영향을 미치는 정도 평가하기 위해.
• 검출기 업그레이드 및 더 나은 얼음 모델링을 통해 향후 민감도 향상 가능성 파악하기 위해.

제안 방법

• 타우 및 전자 중성자율 기원과 일치하는 고에너지 중성자율 사건을 중심으로 아이스커크루스 검출기에서의 사건을 활용한다.
• 방향성 및 에너지 기반 재구성 기법을 적용하여 은하중심 및 은하간 원천에서의 잠재적 암흑물질 신호를 식별한다.
• 우도 기반 통계 분석을 수행하여 암흑물질 붕괴 및 융합 단면적에 대한 상한을 설정한다.
• 스칼라 또는 페르미온성 매개입자를 가진 암흑물질의 이론 모델을 포함하며, 주로 킬로전자볼트에서 메가전자볼트 범위의 질량 범위에 집중한다.
• 중성자율 엔트로피 이행 및 소규모 불안정성 감쇠를 통해 유도된 천체물리적 제약과 결과를 비교한다.
• 배경을 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 특히 확산 천체물리적 중성자율 플럭스를 포함하고, 그 영향을 민감도에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아이스커크루스는 은하중심에서 암흑물질 붕괴 또는 융합으로 발생하는 고에너지 중성자율을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 현재 아이스커크루스가 설정한 암흑물질-중성자율 결합 강도 제약은 기존의 천체물리적 제약와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 특히 중성자율 산란의 맥락에서, 킬로전자볼트에서 메가전자볼트 범위의 매개입자를 가진 암흑물질에 대해 아이스커크루스의 민감도는 어떠한가?
• RQ4 확산 천체물리적 중성자율 플럭스에 대한 불확실성은 은하간 암흑물질 신호 탐지에 얼마나 큰 제약이 되는가?
• RQ5 아이스커크루스-업그레이드 및 아이스커크루스 제2세대의 향후 업그레이드가 고질량 암흑물질 및 확산 중성자율 배경에 대한 민감도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 유의미한 고에너지 중성자율 사건의 초과는 배경 전용 예측과 일치하여 관측되지 않았다.
• 스칼라 암흑물질과 페르미온성 매개입자를 가진 모델에서 암흑물질-중성자율 결합 강도에 대한 향상된 제한을 설정하였으며, 매개변수 공간의 넓은 영역에서 기존의 천체물리적 제약을 뛰어넘었다.
• 벡터 매개입자를 가진 페르미온성 암흑물질의 경우, 특히 킬로전자볼트에서 메가전자볼트 범위에서 이전의 천체물리적 제약보다 더 강력한 제약을 확보하였다.
• 가장 뚜렷한 신호 유사 채널은 암흑물질이 중성자율로 붕괴하거나 융합하는 경우에서 관측되었으며, 향후 탐색에서 이러한 채널의 중요성을 강조하였다.
• 얼음의 광학적 성질에 대한 불확실성은 고에너지 타우 및 전자 중성자율 사건의 각도 해상도에 제한 요소로 남아 있다.
• 향후 아이스커크루스-업그레이드 및 아이스커크루스 제2세대가 고질량 암흑물질 및 확산 은하간 신호에 대해 민감도를 크게 향상시킬 것으로 기대된다.