[论文解读] An Indirect Search for WIMPs with Super-Kamiokande

A. Habig|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本论文通过在超级神冈探测器中寻找由地球、太阳及银心处WIMP湮灭产生的高能中微子，开展对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的间接搜寻。未观测到表明此类中微子的向上穿过μ子显著过量，从而对WIMP诱导的中微子通量设定了严格上限，进而对WIMP-核子自旋无关截面设定了严格上限，排除了DAMA实验所青睐的参数空间的显著部分。

ABSTRACT

A potential source of high energy neutrinos is the annihilation of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) collecting in gravitational potential wells such as the centers of the Earth, the Sun, or the Galaxy. A search for such a WIMP annihilation signal using the Super-Kamiokande (Super-K) detector is presented. Super-K observes 1.1 upward through-going muons per day. These events are caused by high energy (typical E_nu ~ 100 GeV) nu_mu interactions in the rock under the detector, and are generally consistent with the expected flux from atmospheric neutrinos. No enhancement of the neutrino signal due to WIMP annihilation is seen, so upper limits on the possible flux of WIMPS are set. These limits are compared to those from other such indirect searches, and a model-independent method is used to compare the Super-K results with direct-detection WIMP experiments.

研究动机与目标

• 通过探测地球、太阳及银心中WIMP湮灭产生的高能中微子，作为暗物质的间接证据。
• 利用超级神冈中的向上穿过μ子事例，对WIMP诱导的中微子通量设定上限。
• 比较间接探测（超级神冈）与直接探测实验（CDMS、DAMA）在探测WIMP-核子截面方面的灵敏度。
• 提供间接与直接WIMP探测方法之间的模型无关比较。

提出的方法

• 利用超级神冈1268天的运行时间数据，分析了1,416个向上穿过μ子事例，作为WIMP湮灭产生的高能中微子的信号。
• 通过PMT电荷与时间信息重建μ子，要求最小路径长度为7米，以确保来自深层岩石相互作用的高能μ子。
• 在太阳、地球及银心周围定义信号窗口，各窗口收集了不同WIMP质量下90%的预期信号。
• 基于观测到的μ子事例率与大气中微子背景预期，计算了不同锥角与WIMP质量下的通量上限。
• 利用Kamionkowski等人（1995）提出的保守比值，将WIMP诱导中微子通量的上限转换为WIMP-核子自旋无关截面的上限。
• 将结果与直接探测实验（CDMS与DAMA）进行比较，以评估在参数空间中的相对灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在可探测的、由地球、太阳或银心中WIMP湮灭产生的高能中微子所导致的向上穿过μ子过量？
• RQ2 作为WIMP质量函数的WIMP诱导中微子通量上限是多少？
• RQ3 间接探测（超级神冈）与直接探测（CDMS、DAMA）在探测WIMP-核子截面方面的灵敏度如何比较？
• RQ4 超级神冈的结果能否排除DAMA实验年调制信号所青睐的WIMP参数空间？

主要发现

• 未观测到显著高于大气中微子背景的向上穿过μ子过量，表明地球、太阳及银心中不存在WIMP湮灭信号的证据。
• 超级神冈实验设定了90%置信水平的WIMP诱导中微子通量上限，其结果与其他间接探测实验具有可比性。
• 推导出的WIMP-核子自旋无关截面上限排除了DAMA实验3σ允许区域所青睐的参数空间的显著部分。
• 与直接探测实验的比较表明，超级神冈对WIMP-核子截面的灵敏度在广泛WIMP质量范围内与CDMS和DAMA相当。
• 结果表明，通过大型水切伦科夫探测器探测高能中微子的间接探测方法，可对WIMP性质提供模型无关的约束。
• 太阳与地球的通量上限被合并使用，结合Kamionkowski等人（1995）的比值，得出了保守的截面上限，当与该比值结合时，以高置信度排除了DAMA信号。