[论文解读] Searches for WIMP Dark Matter from the Sun with AMANDA

James Braun, Daan Hubert|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 13

一句话总结

本论文利用AMANDA中微子望远镜的数据，基于太阳中微子信号，对弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质提出了更新的限制，搜索中性子湮灭产生的高能μ子中微子信号。尽管未发现显著过量，该研究仍对自旋依赖的中性子-质子截面设定了极为严格的约束，其灵敏度比直接探测实验高出1,000倍，证明了中微子望远镜在低WIMP质量区域探测MSSM参数空间方面的互补作用。

ABSTRACT

A well-known potential dark matter signature is emission of GeV - TeV neutrinos from annihilation of neutralinos gravitationally bound to massive objects. We present results from recent searches for high energy neutrino emission from the Sun with AMANDA, in all cases revealing no significant excess. We show limits on both neutralino-induced muon flux from the Sun and neutralino-nucleon cross section, comparing them with recent IceCube results. Particularly, our limits on spin-dependent cross section are much better than those obtained in direct detection experiments, allowing AMANDA and other neutrino telescopes to search a complementary portion of MSSM parameter space.

研究动机与目标

• 利用AMANDA数据搜索太阳中中性子湮灭产生的高能中微子信号。
• 在先前AMANDA和IceCube结果的基础上，提升对低质量WIMP（低至50 GeV）的探测灵敏度。
• 在MSSM框架下约束自旋依赖的中性子-质子截面，尤其针对直接探测实验无法触及的区域。
• 展示中微子望远镜在探测MSSM参数空间方面与直接探测实验的互补性。

提出的方法

• 选取AMANDA在2000–2006年和2001–2003年运行期间太阳位于地平线以下的时段数据，以减少大气μ子背景。
• 通过快速模式匹配和最大似然重建方法分离中微子诱导的μ子事例，对轨迹方位角不确定度、触发点平滑性以及与下向μ子先验的似然差进行筛选。
• 事件选择聚焦于天顶角小于80°（2001–2003年分析中为小于70°）的上行μ子，将下向μ子污染降低至每年约10^6个事例。
• 基于观测事例数的90%置信度上限，结合模拟得到的能量平均有效体积$V_{\text{eff}}$，推导出μ子通量限制。
• 通过公式$\Phi_{\mu} = \frac{\Gamma_A}{4\pi R^2} \int_{1~\text{GeV}}^{m_\chi} \frac{dN_\mu}{dE} dE$计算中微子诱导的μ子通量，其中$\Gamma_A$为湮灭率。
• 利用DarkSUSY提供的理论模型，结合太阳内部的吸收与振荡效应，推导出自旋依赖和自旋无关截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 AMANDA能否探测到太阳中性子湮灭产生的高能中微子通量？
• RQ2 在低WIMP质量（50–5000 GeV）下，太阳WIMP湮灭产生的μ子通量的限制是什么？
• RQ3 AMANDA对自旋依赖的中性子-质子截面的限制与直接探测实验相比如何？
• RQ4 像AMANDA这样的中微子望远镜在多大程度上探测了直接探测实验无法触及的MSSM参数空间？

主要发现

• 未观测到太阳方向中微子诱导μ子事例的显著过量，与仅含背景的预期一致。
• 对于质量为50 GeV的中性子湮灭为$\tau^+\tau^-$的情况，μ子通量的90%置信度上限为$1.21 \times 10^5~\text{km}^{-2}\text{y}^{-1}$。
• 对50 GeV中性子的自旋依赖中性子-质子截面限制达到$4.80 \times 10^{-38}~\text{cm}^2$，相比直接探测限制提高了1,000倍。
• AMANDA对自旋依赖截面的限制比CDMS、KIMS和COUPP更严格，尤其在低质量WIMP区域。
• 对于1000 GeV的中性子，自旋依赖截面限制为$1.01 \times 10^{-39}~\text{cm}^2$，显示出对MSSM参数空间的强敏感性。
• 结果表明，AMANDA等中微子望远镜与IceCube一起，探测了直接探测实验无法约束的MSSM参数空间互补区域。