[论文解读] Probing High-Energy Light Dark Matter with IceCube

Gang Guo, Yue-Lin Sming Tsai+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出利用冰立方等高能中微子探测器，通过观测宇宙射线对亚GeV暗物质（DM）的上散射，探测质量约为PeV的亚GeV暗物质，首次在该能量尺度上将暗物质-核子散射截面的约束下探至~10⁻³² cm²，为当前直接探测实验之外提供了一种互补的高能探测手段。

ABSTRACT

The direct detection of particle dark matter through its scattering with nucleons is of fundamental importance to understand the nature of DM. In this work, we propose that the high-energy neutrino detectors like IceCube can be used to uniquely probe the DM-nucleon cross-section for high-energy DM of $\sim$ PeV, up-scattered by the high-energy cosmic rays. We derive for the first time strong constraints on the DM-nucleon cross-section down to $\sim 10^{-32}$ cm$^2$ at this energy scale for sub-GeV DM candidates. Such independent probe at energy scale far exceeding other existing direct detection experiments can therefore provide useful insights complementary to other searches.

研究动机与目标

• 探索利用高能中微子观测台（如冰立方）探测亚GeV暗物质的新途径。
• 解决在高能区直接探测灵敏度不足的问题，该区域传统实验效果较差。
• 为高能暗物质的暗物质-核子散射截面推导出模型无关的约束。
• 通过进入远超现有直接探测实验能力的能量尺度，提供对现有直接探测实验的互补探测手段。

提出的方法

• 利用冰立方对高能中微子的灵敏度，探测由高能宇宙射线散射亚GeV暗物质产生的信号。
• 建立上散射过程的模型，其中亚GeV暗物质与宇宙射线相互作用，产生可探测的高能中微子。
• 利用观测到的高能中微子通量，推导出暗物质-核子散射截面的上限。
• 应用基于中微子事例率推导出的运动学与截面约束，对暗物质-核子相互作用强度设定界限。
• 利用冰立方数据，首次推导出在PeV能量尺度下暗物质-核子截面的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能中微子探测器（如冰立方）能否通过宇宙射线上散射探测亚GeV暗物质？
• RQ2 利用该方法在PeV能量尺度下可实现的暗物质-核子散射截面极限是多少？
• RQ3 该探测手段在类似能量尺度下与现有直接探测实验相比灵敏度如何？
• RQ4 通过中微子信号探测上散射暗物质在理论和观测上是否可行？

主要发现

• 本研究首次设定了在PeV能量尺度下亚GeV暗物质的暗物质-核子散射截面约束。
• 推导出的暗物质-核子截面上限达到~10⁻³² cm²，代表了在高能区的显著探测灵敏度。
• 该方法为直接探测实验提供了互补探测手段，其工作能量尺度远超现有实验的探测范围。
• 分析表明，冰立方具备探测地基直接探测实验无法触及的暗物质相互作用的潜力。