[論文レビュー] Search for neutrinos from annihilation of captured low-mass dark matter particles in the Sun by Super-Kamiokande

Kamiokande Collaboration, K. Choi+111 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 52被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、スーパーカミオカンデの閉じたイベントを用いて、太陽内に捕獲された弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）の対消滅から生じるニュートリノの探索を初めて行った。200 GeV/c²未満のスピン依存的WIMP-陽子断面積に対して、これまでで最も厳しい上限を設定した。また、スピン独立型の状況において、τ⁺τ⁻最終状態を想定した場合、6 GeV/c²未塔のWIMP質量領域について新たな領域を除外した。

ABSTRACT

Super-Kamiokande (SK) can search for weakly interacting massive particles (WIMPs) by detecting neutrinos produced from WIMP annihilations occurring inside the Sun. In this analysis, we include neutrino events with interaction vertices in the detector in addition to upward-going muons produced in the surrounding rock. Compared to the previous result, which used the upward-going muons only, the signal acceptances for light (few-GeV/$c^2$ $\sim$ 200-GeV/$c^2$) WIMPs are significantly increased. We fit 3903 days of SK data to search for the contribution of neutrinos from WIMP annihilation in the Sun. We found no significant excess over expected atmospheric-neutrino background and the result is interpreted in terms of upper limits on WIMP-nucleon elastic scattering cross sections under different assumptions about the annihilation channel. We set the current best limits on the spin-dependent (SD) WIMP-proton cross section for WIMP masses below 200 GeV/$c^2$ (at 10 GeV/$c^2$, 1.49$ imes 10^{-39}$ cm$^2$ for $χχ ightarrow b \bar{b}$ and 1.31$ imes 10^{-40}$ cm$^2$ for $χχ ightarrowτ^+τ^-$ annihilation channels), also ruling out some fraction of WIMP candidates with spin-independent (SI) coupling in the few-GeV/$c^2$ mass range.

研究の動機と目的

• 太陽に捕獲された低質量のダークマター粒子の対消滅によって生成されるニュートリノの探索を目的とする。
• ニュートリノ検出を用いて、スピン依存的およびスピン独立的WIMP-核子散乱断面積を制限することを目的とする。
• スーパーカミオカンデの閉じたイベントを分析することで、低質量WIMPダークマターの制限を強化することを目的とする。
• 天体物理学的および核物理学的不確実性が導かれる除外限界に与える影響を評価することを目的とする。

提案手法

• 1,000日分のスーパーカミオカンデデータを用い、太陽内でのWIMP対消滅から生じる閉じたミュオンおよび電子ニュートリノイベントを探索した。
• DarkSUSY 5.0.6を用いて、さまざまな対消滅チャネルのもとでニュートリノフラックスの上限をWIMP-核子断面積の上限に変換した。
• 異なる最終状態（例：b̄b、τ⁺τ⁻、W⁺W⁻）を想定したスピン依存的（SD）およびスピン独立的（SI）WIMP-核子相互作用を検討した。
• 太陽の組成、核の形因子、WIMPの速度分布、捕獲・蒸発ダイナミクスの不確実性を評価した。
• 不確実性を平方和で合成し、除外プロットに影付き領域として表示した。
• 標準的なダークマターハローを仮定し、局所密度0.3 GeV/cm³、RMS速度270 km/sのマクスウェル速度分布とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 GeV/c²未塔のWIMP質量に対して、スピン依存的WIMP-陽子断面積の上限は何か？
• RQ2 特にτ⁺τ⁻最終状態を想定した場合、スピン独立的WIMP-核子断面積の上限は、さまざまな対消滅最終状態にどのように依存するか？
• RQ3 太陽の組成および核の形因子の不確実性は、導かれる除外限界にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 スピン独立的結合の状況において、6 GeV/c²未塔の低質量WIMPのパラメータ空間の新たな領域をスーパーカミオカンデは除外できるか？
• RQ5 DAMA/LIBRA、CoGeNT、LUXなどの他の直接的および間接的検出実験と比較して、本研究の結果はどのように異なるか？

主な発見

• WIMP質量が4〜200 GeV/c²の範囲で、閉じたイベント標本に顕著な信号過剰は観測されなかった。
• 200 GeV/c²未塔のWIMP質量に対して、スピン依存的WIMP-陽子断面積の上限として、これまでで最も厳しい制限を設定した。これは、最も軟らかなb̄b最終状態に対しても同様に成立する。
• 100％の割合でτ⁺τ⁻に対消滅するスピン独立的結合を仮定した場合、6 GeV/c²未塔のWIMP質量に対して、パラメータ空間の新たな領域が除外された。
• 核の形因子および太陽の組成の不確実性は、SI限界に最大25〜45％の影響を与えるが、SD限界はそれほど敏感ではない。
• 速度分布の不確実性は、限界の総不確実性に最大40％（SD）および25％（SI）寄与する。
• 結果は、検出可能なWIMP対消滅信号の欠如と整合的であり、LUXやCDMSなどの他の実験による制限を強化している。