[论文解读] Dark matter search in the inner Galactic halo with H.E.S.S. I and H.E.S.S. II

V. Lefranc, E. Moulin|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 7

一句话总结

本研究利用10年H.E.S.S.-I数据（254小时有效观测时间）对银河系中心的暗物质（DM）自湮灭过程提出了迄今为止最强的约束，采用了一种新颖的二维似然分析方法，结合了能量谱和空间分布信息以提升灵敏度。该分析为质量为3 TeV的暗物质粒子湮灭成$b\bar{b}$末态的速率加权截面设定了95%置信水平上限，为$1.2 \times 10^{-25}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$，相比以往H.E.S.S.的限制提高了2.3倍。

ABSTRACT

The presence of dark matter in the Universe is nowadays widely supported by a large body of astronomical and cosmological observations. One of the best targets to look for dark matter particle self-annihilation into very high energy gamma-rays is the Galactic Center (GC) region. A search for annihilating dark matter in the central 300 parsecs around the GC is performed with the H.E.S.S. array of ground-based Cherenkov telescopes. Using the full H.E.S.S.- I dataset (2004-2014) for this region, new constraints are derived on the velocity-weighted annihilation cross section with a 2D likelihood method, taking advantage of differences in both spectral and spatial morphologies of signal and background. Higher statistics from the 10-years GC dataset of H.E.S.S. I together with a novel analysis technique, allow to improve the present constraints by a factor of 2 for a DM particle mass of 1 TeV. The expected improvement in sensitivity of the new analysis technique, applied to performances of the H.E.S.S.-II array, is also presented.

研究动机与目标

• 通过间接探测方法改进对银河系内晕中暗物质粒子速度加权湮灭截面的约束。
• 利用完整的10年H.E.S.S.-I数据集（254小时有效观测时间）提升统计灵敏度。
• 开发并应用一种新颖的二维似然分析方法，同时对信号与背景在空间和能量上的差异进行建模。
• 预测H.E.S.S.-II阵列在单机模式运行下对1 TeV以下质量暗物质湮灭的探测灵敏度。
• 通过与预期的$\langle\sigma v\rangle = 3 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$热平衡暗物质丰度进行比较，为热WIMP暗物质模型提供更严格的限制。

提出的方法

• 分析采用二维似然方法，联合建模在角度区间内的信号与背景空间分布，以及在能量区间内的能量谱分布。
• 信号区域（ON）为以银河系中心为中心的$1^\circ$圆形区域，背景通过环形区域（$1^\circ < r < 1.5^\circ$）估算，通过比例$\alpha_i = \Delta\Omega_i / \Delta\Omega_{\text{OFF}}$进行归一化。
• 似然函数包含每个空间-能量区间内预测的信号与背景事例数，其中信号使用艾纳斯塔暗物质密度剖面的J因子和更新计算的暗物质湮灭谱进行建模。
• 检验统计量（TS）定义为$\text{TS} = -2\ln\left(\mathcal{L}(m_{\text{DM}}, \langle\sigma v\rangle)/\mathcal{L}_{\text{max}}(m_{\text{DM}}, \langle\sigma v\rangle)\right)$，其服从自由度为1的$\chi^2$分布。
• 通过识别TS超过2.71的值，以95%置信水平推导出$\langle\sigma v\rangle$的上限。
• 利用相同的分析框架，假设仅使用大型中央28米望远镜进行单机模式运行，对H.E.S.S.-II的灵敏度进行投影，观测时间为100小时和250小时。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用完整的10年H.E.S.S.-I数据集，对1–10 TeV质量范围的暗物质粒子，其速度加权湮灭截面$\langle\sigma v\rangle$的约束有何改进？
• RQ2 结合能量谱和空间分布信息的二维似然分析方法，相比传统方法在灵敏度提升方面有多大程度的改进？
• RQ3 新H.E.S.S.的限制与Fermi-LAT及以往H.E.S.S.分析结果相比如何，特别是在TeV质量范围内？
• RQ4 H.E.S.S.-II阵列在单机模式运行下，对亚TeV质量暗物质湮灭的探测灵敏度预期提升多少？
• RQ5 新分析方法能否使限制更接近热产生WIMP的理论预期值$3 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$？

主要发现

• 对于质量为3 TeV的暗物质粒子湮灭成$b\bar{b}$末态，95%置信水平上限为$1.2 \times 10^{-25}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$，相比以往H.E.S.S.结果提升了2.3倍。
• 由于统计量更高且采用二维似然方法，本分析对1 TeV质量暗物质粒子的灵敏度相比早期H.E.S.S.结果提升了2倍。
• H.E.S.S.的限制是目前针对质量高于~800 GeV的暗物质最强的，优于该范围内Fermi-LAT的约束。
• 对于H.E.S.S.-II在单机模式运行，预计在800 GeV处，100小时观测后灵敏度可达$1.5 \times 10^{-25}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$，250小时后可达$7 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$。
• 分析未在银心内晕区域发现显著的伽马射线超额，与标准热WIMP模型预期的零结果一致。
• 结果使观测到的上限更接近热产生暗物质的理论预期值$3 \times 10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$。