[论文解读] Neutrinos from the Sun can discover dark matter-electron scattering

Tarak Nath Maity, Akash Kumar Saha+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出利用太阳产生的高能中微子作为探测暗物质-电子散射的探针，借助IceCube和DeepCore等中微子望远镜。通过分析太阳中暗物质湮灭产生的中微子信号（通过电子散射捕获）——该研究在宽广的质量范围（10 GeV至100 TeV）内设定了目前最强的暗物质-电子散射截面约束，展示了未来发现非引力暗物质相互作用的潜力。

ABSTRACT

We probe dark matter-electron scattering using high-energy neutrino observations from the Sun. Dark matter (DM) interacting with electrons can get captured inside the Sun. These captured DM may annihilate to produce different Standard Model (SM) particles. Neutrinos produced from these SM states can be observed in IceCube and DeepCore. Although there is no excess of neutrinos in the solar direction, we find that the current datasets of IceCube and DeepCore set the strongest constraint on the DM-electron scattering cross section in the DM mass range $10$\,GeV to $10^5$\,GeV. Therefore our work implies that future observations of the Sun by neutrino telescopes have the potential to discover the DM-electron interaction.

研究动机与目标

• 探索太阳中微子观测作为探测暗物质-电子散射的潜力。
• 识别一种利用现有中微子望远镜数据探测非引力暗物质相互作用的新且高度敏感的通道。
• 在宽广的质量范围（10 GeV–100 TeV）内，设定最严格的暗物质-电子散射截面约束。
• 证明未来观测太阳的中微子望远镜可发现暗物质-电子相互作用。
• 评估通过电子散射在太阳中捕获与湮灭暗物质的可行性，尤其针对轻子偏好型暗物质模型。

提出的方法

• 将暗物质建模为通过电子散射在太阳中被捕获，随后湮灭为标准模型末态（包括 $\tau^+\tau^-$、$e^+e^-$ 和 $\nu\bar{\nu}$）。
• 模拟由暗物质湮灭产生的标准模型粒子衰变所生成的中微子，包含电弱修正和强子化效应。
• 使用中微子传播与探测模拟，预测IceCube和DeepCore中的可观测中微子通量，考虑能量和角度分辨率。
• 将预测的中微子事例率与IceCube（2016年、2021年）和DeepCore（2016年、2021年）的实际数据进行比较，以推导排除极限。
• 考虑太阳大气中微子背景，并使用“ν-Mist”方法定义灵敏度下限，以评估模型相关不确定性。
• 评估被捕获暗物质在太阳中达到热平衡所需的时间，以确定稳态近似的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 现有的IceCube和DeepCore对太阳高能中微子的数据能否对暗物质-电子散射设定具有竞争力的约束？
• RQ2 太阳中微子望远镜对质量在10 GeV至100 TeV之间的暗物质，通过电子散射的探测灵敏度如何？
• RQ3 太阳中暗物质湮灭产生的中微子信号与背景通量（尤其是太阳大气中微子）相比如何？
• RQ4 在何种条件下，太阳中暗物质的捕获与湮灭会达到平衡？这如何影响探测前景？
• RQ5 未来中微子望远镜对太阳的观测能否在当前实验探测范围之外发现暗物质-电子相互作用？

主要发现

• 当前的IceCube和DeepCore数据集在10 GeV至100 TeV的暗物质质量范围内，设定了目前最强的暗物质-电子散射截面约束。
• 对于湮灭为 $\tau^+\tau^-$ 的情况，DeepCore（2021）和IceCube（2016）数据的约束强于XENON1T和Super-Kamiokande在10–100 TeV范围内的结果。
• 对于 $\nu\bar{\nu}$ 末态，其约束在整个10–100,000 GeV质量范围内强于以往限制，尤其在100–1000 GeV区域更为显著。
• 对于 $e^+e^-$ 末态，当电弱辐射阻尼成为中微子主要来源时（>500 GeV），其约束与外推的XENON1T极限具有可比性。
• 对于质量为10 GeV、100 GeV和900 GeV的暗物质，其达到太阳中热平衡所需的时间小于太阳年龄（≈4.6 Gyr），如图5所示各自轮廓线以上区域所示。
• 即使采用保守的热退耦合湮灭截面 $3 \times 10^{-26}$ cm³/s，质量为10 GeV、100 GeV和900 GeV的暗物质也能在太阳中实现平衡，验证了分析中所用稳态近似的合理性。