[論文レビュー] Dark Matter Through the Neutrino Portal

Adam Falkowski, José Juknevich+1 more|ArXiv.org|Aug 13, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用数 55

ひとこと要約

本稿では、隠れた $SU(N)$ セクター内のフェルミオン的ダークマター粒子がニュートリノポータルを通じて崩壊し、銀河中心からテルバール・ニュートリノのモノクローマチックなフラックスを生成するダークマター模型を提案する。崩壊過程 $\lambda \to \text{ダークグルーオール} + \ \[\nu\]$ により、標準的間接検出信号（例：光子、反陽子）が抑制され、アイスキューブ/ディープコアなどのニュートリノ望遠鏡が最も感度の高いプローブとなる。この場合、寿命が $10^{27}$ 秒にまで及ぶ可能性のある発見感度が得られる。

ABSTRACT

We consider a model of dark matter whose most prominent signature is a monochromatic flux of TeV neutrinos from the galactic center. As an example of a general scenario, we consider a specific model where the dark matter is a fermion in the adjoint representation of a hidden SU(N) gauge group that confines at GeV energies. The absence of light fermionic states in the dark sector ensures stability of dark matter on cosmological time scales. Dark matter couples to the standard model via the neutrino portal, that is, the singlet operator H L constructed from the Higgs and lepton doublets, which is the lowest dimensional fermionic singlet operator in the standard model. This coupling prompts dark matter decay where the dominant decay channel has one neutrino (and at least one dark glueball) in the final state. Other decay channels with charged standard model particles involve more particles in the final state and are therefore suppressed by phase space. In consequence, the standard indirect detection signals like gamma-ray photons, antiprotons and positrons are suppressed with respect to the neutrino signal. This coupling via the neutrino portal is most robustly constrained by Super-Kamiokande, which restricts the dark matter lifetime to be larger than 10^25 seconds. In the near future, the scenario will be probed by the new generation of neutrino telescopes. ANTARES will be sensitive to a dark matter lifetime of order 10^26 seconds, while IceCube/DeepCore can probe a lifetime as large as 10^27 seconds.

研究の動機と目的

• 主な間接検出信号が光子や荷電粒子ではなく、モノクローマチックなニュートリノフラックスであるダークマター模型を特定すること。
• ニュートリノポータル結合が、最終状態に1つのニュートリノを含む崩壊モードを可能にし、他の標準模型信号を抑制することを示すこと。
• 宇宙背景放射の低減と明確なシグナルの両方が得られるため、ニュートリノ望遠鏡が、この状況において他の間接検出手法よりも感度が優れていることを示すこと。
• 現在および将来のニュートリノ望遠鏡（ANTARES、アイスキューブ/ディープコア）が、銀河中心からのモノクローマチック信号をどの程度検出可能かを定量化すること。

提案手法

• モデルは、コンfinィング $SU(N)$ 隠れたゲージ群の随伴表現に属するフェルミオン的ダークマター粒子を仮定し、ダークセクター内では安定である。
• ダークマターは、次元3/2の演算子 $HL$ を介して標準模型に結合し、これは「ニュートリノポータル」とも呼ばれる、フェルミオン的ゲージシングレットの最低次元の演算子である。
• より軽いダークセクター状態（例：ダークグルーオール）の存在により、主要な崩壊モードは $\lambda \to \text{ダークグルーオール} + \ \[\nu\]$ となり、単エネルギーのニュートリノフラックスが生成される。
• Wボソンやヒッグス粒子などの多粒子最終状態の位相空間的抑制により、光子、陽電子、反陽子信号よりもニュートリノ信号が優勢になる。
• スーパーカミオカンデの観測制約（$\tau > 10^{25}$ 秒）と、ANTARESおよびアイスキューブ/ディープコアのニュートリノフラックスへの感度を評価する。トラックおよびキャスケード事象の両方を考慮する。
• キャスケードおよびトラック的事象の信号対背景比を評価し、大気的ニュートリノ背景からの銀河中心シグナルの区別に重点を置く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子や荷電粒子ではなく、モノクローマチックなニュートリノフラックスが主な間接検出信号であるダークマター模型を構築可能か？
• RQ2 ニュートリノポータル結合が、最終状態に1つのニュートリノを含む崩壊モードを可能にする仕組みは何か？ なぜこのモードが支配的になるのか？
• RQ3 現在および将来のニュートリノ望遠鏡が、銀河中心からのこのモノクローマチックなニュートリノ信号をどの程度検出可能か？
• RQ4 大気的ニュートリノ背景が、トラックおよびキャスケード事象におけるダークマター信号の検出可能性に与える影響は？
• RQ5 標準模型最終状態が抑制されたダークマター模型を調べる際、ニュートリノ望遠鏡が他の間接検出手法を上回る性能を示せるか？

主な発見

• モデルは、主要な崩壊モード $\lambda \to \text{ダークグルーオール} + \ \[\nu\]$ を予測し、銀河中心からテルバール・スケールのモノクローマチックなニュートリノフラックスを生成する。
• 位相空間的要因により、光子、陽電子、反陽子などの標準模型信号が抑制され、ニュートリノが主な間接検出チャネルとなる。
• スーパーカミオカンデの制約により、ダークマターの寿命は $10^{25}$ 秒より大きいとされている。これは、検出可能なニュートリノフラックスが観測されなかったことによる。
• ANTARESは、ダークマター寿命を $10^{26}$ 秒程度まで探査可能であり、スーパーカミオカンデの感度を数倍上回ると予想される。
• アイスキューブ/ディープコアは、寿命が $10^{27}$ 秒に達するまで探査可能であり、ミューオンの識別により大気的ニュートリノ背景が約90％まで低減されるため、感度が向上する。
• 特に大気的ミューオンニュートリノ背景が低減される場合、キャスケード事象はトラック事象よりも優れた信号対背景比を示す。