[论文解读] CF2 White Paper: Status and Prospects of The VERITAS Indirect Dark Matter Detection Program

A. W. Smith, R. Bird+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本白皮书总结了VERITAS通过地基伽马射线望远镜开展的间接暗物质探测计划，旨在探测来自矮球状星系和银心等目标的TeV伽马射线，以寻找暗物质湮灭信号。通过源叠加和先进分析方法，获得了更严格的约束；未来灵敏度预计将在改进技术后提升2–3倍。

ABSTRACT

In this white paper, submitted as a part of Snowmass 2013 (subgroup CF2), we examine the current status and future prospects of the VERITAS indirect dark matter detection program. The VERITAS array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs), sensitive in the 0.1-50 TeV regime, is in the process of completing a multi-year program aimed at detecting signatures of neutralino dark matter. This program is spread out over a range of astrophysical targets which can potentially yield definitive signatures of neutralino self-annihilation such as dwarf spheroidal galaxies (dSphs) and the center of the Milky Way galaxy. While the program is still in progress, initial results on dSphs have produced very competitive upper limits on the thermally averaged cross-section of neutralino self-annihilation as well as strongly constraining leptophillic dark matter models (such as those inferred from the PAMELA and AMS positron fraction results). As the program continues over the next 5 years, VERITAS observations will yield some of the strongest constraints available from IACTs, pushing down the limit on the thermally averaged cross-section of neutralino self-annihilation to the expected natural thermal relic scale.

研究动机与目标

• 通过VERITAS对高质光比目标的观测，改进对暗物质湮灭的间接探测极限。
• 通过将多个dSph观测结果进行源叠加，减少暗物质约束中的不确定性。
• 通过先进数据分析方法，将信噪比提升2–3倍，从而提高灵敏度。
• 探测约130 GeV附近的伽马射线线信号，利用VERITAS更低的能量阈值验证Fermi-LAT的报告。
• 在CTA于2020年代初投入运行之前，为超对称暗物质模型提供关键且独立的约束。

提出的方法

• 利用由四台12米望远镜组成的VERITAS成像大气契伦科夫望远镜阵列，配备499像素光电倍增管相机，探测来自宇宙源的TeV伽马射线。
• 通过叠加多个矮球状星系的数据，实现源叠加，从而在统计显著性和灵敏度上超越单个源的极限。
• 在2012年升级后应用能量阈值降低技术，将灵敏度扩展至70 GeV以下，以探测潜在的伽马射线线特征。
• 结合VERITAS数据与dSph的运动学测量，更好地约束J因子（暗物质密度分布），从而减少湮灭截面极限中的系统不确定性。
• 使用连续谱和线发射模型解释伽马射线能谱，以区分暗物质湮灭与天体物理背景。
• 通过与Fermi-LAT数据的对比分析，验证或反驳在低能段观测到的130 GeV线特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 VERITAS对叠加的dSph和银心观测的当前暗物质湮灭截面上限是多少？
• RQ2 与单个源分析相比，源叠加和改进分析技术如何提升灵敏度？
• RQ3 鉴于VERITAS的能量阈值低于70 GeV，能否确认或排除Fermi-LAT报告的130 GeV伽马射线线特征？
• RQ4 J因子（暗物质密度分布）的不确定性在多大程度上影响间接探测约束的稳健性？
• RQ5 在超对称暗物质模型的背景下，VERITAS的约束与Fermi-LAT、直接探测实验以及未来CTA的约束相比如何？

主要发现

• 自2007年以来，VERITAS已在暗物质目标（包括dSph、星系团和银心）上累积了约350小时的观测时间。
• dSph观测的源叠加使VERITAS首次获得叠加上限，显著提升了灵敏度，超越单个源分析。
• 2012年光电倍增管升级将能量阈值降低至70 GeV以下，使VERITAS能够探测Fermi-LAT报告的130 GeV伽马射线线特征。
• 理论预测表明，先进分析技术可使灵敏度提高2–3倍，未来VERITAS数据处理中将实现此目标。
• VERITAS对dSph的观测约束预计将成为IACT间接探测中最全面的，与Fermi-LAT的低能约束形成互补。
• 尽管可能存在130 GeV线信号，其起源仍不确定，可能为仪器效应；VERITAS在验证其天体物理起源方面具有独特优势。