[논문 리뷰] Search for relativistic magnetic monopoles with five years of the ANTARES detector data

A. Albert, M. André외 119명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2017. 03. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 49인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 ANTARES 중성자 탐지기에서 5년간의 데이터를 사용하여 상대론적 자석 단극자(MM)를 탐색하며, 깊은 해수에서 상대론적 입자가 생성하는 찰레노프 빛을 분석한다. 신호는 관측되지 않았으며, 분석은 찰레노프 임계값 이상($\beta \geq 0.74$)의 MM 흐름에 대해 가장 엄격한 90% 신뢰수준 상한선을 설정하였으며, 이는 이전 결과를 향상시키며 중성자 탐지기가 이러한 이색 입자에 대해 민감함을 보여준다.

ABSTRACT

A search for magnetic monopoles using five years of data recorded with the ANTARES neutrino telescope from January 2008 to December 2012 with a total live time of 1121 days is presented. The analysis is carried out in the range $β$ $>$ $0.6$ of magnetic monopole velocities using a strategy based on run-by-run Monte Carlo simulations. No signal above the background expectation from atmospheric muons and atmospheric neutrinos is observed, and upper limits are set on the magnetic monopole flux ranging from $5.7 imes 10^{-16}$ to $1.5 imes 10^{-18}$ cm$^{-2} \cdot $ s$^{-1} \cdot $ sr$^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 찰레노프 빛 탐지 기반으로 깊은 바닷속 중성자 탐지기 데이터에서 상대론적 자석 단극자(MM)를 탐색하기.
• 최적화된 이벤트 재구성 및 배경 억제를 통해 5년간의 ANTARES 데이터를 분석하여 MM에 대한 민감도를 향상시키기.
• 특히 찰레노프 임계값 이상($\\beta \\geq 0.74$)에서 상대론적 자석 단극자 흐름에 대한 새로운 상한선 설정하기.
• 중성자 탐지기가 자석 단극자와 같은 이색 입자를 탐지하는 데 있어 성능 평가하기.
• 더 큰 부피와 향상된 장비로 인해 향후 민감도가 향상될 KM3NeT와 같은 미래 실험에 기초 자료 제공하기.

제안 방법

• 2008–2012년 동안의 ANTARES 데이터 5년치 자료를 활용하였으며, 이는 총 1,012일의 실제 작동 시간에 해당한다.
• 충격 패턴($N_{\\text{hit}}$), 붕괴 각도($\alpha$), 재구성된 속도($\beta_{\\text{fit}}$)를 기반으로 다중 변수 선택 기법을 적용하여 잠재적 MM 후보자 식별하기.
• 분석을 두 영역으로 나누었으며, 하나는 $\beta_{\text{fit}}$를 자유 매개변수로 사용하는 영역($\beta < 0.74$)이고, 다른 하나는 $\beta_{\text{fit}} = 1$으로 고정하는 영역($\beta \geq 0.74$)으로, 상호 배타적인 이벤트 샘플 확보하기.
• 대기 중의 뮤온 데이터를 배경 대체자로 사용하였으며, 신뢰성 있는 가정 하에 신호 영역으로의 외삽 수행하기.
• 배경 감소를 위한 최종 컷 적용 시, 고속도 영역에서 $\alpha$ 및 $N_{\text{hit}}$에 대해 더 엄격한 제약 조건 적용하기.
• 관측된 이벤트 수와 예상 배경 수를 기반으로 90% 신뢰수준(C.L.) 상한선 계산하기.

Figure 1: The total number of Cherenkov photons with wavelengths between 300 and 600 nm that are directly produced per centimeter path length by a MM with $g=g_{D}$ , as a function of its velocity ( $\beta$ ). The number of photons produced by $\delta$ -rays with Mott cross section model [ 22 ] and

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ANTARES 중성자 탐지기가 5년간의 데이터에서 상대론적 자석 단극자에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ2 재구성된 운동학적 변수($\beta_{\text{fit}}$, $\alpha$, $N_{\text{hit}}$)는 배경과 잠재적 자석 단극자 이벤트를 어떻게 구별하는가?
• RQ3 특히 찰레노프 임계값 이상에서 상대론적 자석 단극자 흐름에 대한 상한선은 무엇인가?
• RQ4 IceCube, MACRO, Baikal 등의 이전 실험 결과와 이론적 한계와 비교하여 결과는 어떻게 되는가?
• RQ5 ANTARES와 향후 KM3NeT와 같은 중성자 탐지기가 얼마나 높은 상대론적 속도를 가진 자석 단극자를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 대기 배경 기대치 이상에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 높은 속도 영역($\beta \geq 0.74$)에서 배경과 일치하는 유일한 이벤트 하나만 관측되었다.
• 첫 다섯 속도 영역($\beta_{\text{fit}}$가 자유 매개변수인 영역)에서의 총 배경 기대치는 5.4개 이벤트였고, 관측된 이벤트 수는 1개였으며, 이는 보수적인 배경 외삽을 반영한 것이다.
• $\beta \geq 0.74$ 영역에서 ANTARES는 현재까지 가장 엄격한 90% C.L. 상한선을 확보하였으며, 다른 실험의 이전 결과를 초월하였다.
• 이 상한선는 질량 $M > 10^{10}$ GeV/$c^2$인 자석 단극자에 대해 유효하며, 지구를 관통하는 입자에 관련된 것이다.
• 이 분석은 중성자 탐지기가 고속, 고이온화 쇼어를 해상도 있게 식별할 수 있는 능력을 바탕으로 상대론적 자석 단극자를 탐지하는 데 매우 적합함을 보여주었다.
• 향후 KM3NeT 검출기는 더 큰 부피와 향상된 탐지 성능 덕분에 자석 단극자에 대한 민감도를 크게 향상시킬 것으로 기대된다.

Figure 2: The distribution of the reconstructed $\beta_{fit}$ for atmospheric muons (red histogram) with an uncertainty band of 35% (filled in gray), atmospheric neutrinos (blue histogram) and data (points with error bars). For comparison, the distributions of the reconstructed $\beta_{fit}$ for MMs