[论文解读] Dark matter searches with IceCube

C. Pérez de los Heros|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文利用冰立方中微子望远镜对暗物质进行搜寻，聚焦于WIMPs、Kaluza-Klein粒子和Simpzillas，通过来自太阳、银河系中心和星系晕的中微子信号。利用22根和40根线阵配置，冰立方对自旋依赖截面和自湮灭截面设定了严格限制，其中银河系中心分析的灵敏度与费米和帕梅拉卫星数据相当，尤其不利于自湮灭截面高于10⁻²² cm³/s的值。

ABSTRACT

The construction of the IceCube neutrino observatory is practically terminated. At the time of this writing, and with 79 strings taking data out of the 86 foreseen, we are one deployment season away from completion. The detector, however, has been taking data since 2006 in different partial configurations. We have evaluated these data for evidence of dark matter annihilations in the Sun, in the Galactic Center and in the Galactic Halo, searching for an excess neutrino flux over the expected atmospheric neutrino background. This contribution reviews the results of dark matter searches for WIMPs, Kaluza-Klein modes and superheavy candidates (Simpzillas), using the 22- and 40-string configurations of IceCube. The results are presented in the form of muon flux limits, constrains on the candidates' spin-dependent cross-section with protons, and constrains in the self-annihilation cross section. These results are presented in the context of direct searches and searches in space

研究动机与目标

• 利用冰立方数据，搜索来自太阳、银河系中心和星系晕中暗物质自湮灭的高能中微子信号。
• 通过观测到的中微子通量，约束中性子、Kaluza-Klein粒子和Simpzillas等暗物质候选者的性质。
• 通过DeepCore扩展降低能量阈值，提升对低质量暗物质候选者的灵敏度。
• 通过将中微子结果与费米和帕梅拉的光子和宇宙射线数据对比，实现多波段暗物质搜寻。
• 通过中微子望远镜验证冰立方作为方向性、抗背景干扰的暗物质探测器的能力。

提出的方法

• 冰立方利用部署在南极冰层中的86根数字光学模块（DOMs）阵列，探测中微子相互作用产生的相对论性粒子所发出的契忍科夫光。
• 22根线阵和40根线阵配置在2007–2009年期间收集数据，其中40根线阵配置首次实现了对银河系中心的搜寻。
• 利用上层DOMs和周围线阵构成的拒止区域，可识别起始轨迹并抑制大气μ子背景。
• 分析采用源区减去背景区的事件计数方法（ΔN = N_on − N_off），以检验是否在大气中微子背景之上存在超额。
• 基于在星系晕和银河系中心区域未观测到信号超额，推导出自湮灭截面⟨σAv⟩的限制。
• 星系晕分析中包含系统误差；银河系中心结果为初步结果，尚未完成完整的系统误差评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方能否探测到来自太阳、银河系中心或星系晕中暗物质自湮灭的中微子通量？
• RQ2 基于冰立方数据，WIMPs与质子的自旋依赖截面受到何种限制？
• RQ3 冰立方对自湮灭截面⟨σAv⟩的限制与费米和帕梅拉卫星观测结果相比如何？
• RQ4 DeepCore扩展在多大程度上降低了能量阈值，并提升了对低质量暗物质候选者的灵敏度？
• RQ5 中微子望远镜在探测暗物质自湮灭时，是否能提供比光子或宇宙射线探测器更干净的信号？

主要发现

• 冰立方对太阳中性子自湮灭产生的μ子通量设定了90%置信水平的限制，优于SuperK、Baksan和MACRO等先前实验。
• 40根线阵配置实现了对银河系中心暗物质自湮灭的首次直接搜寻，对自湮灭截面⟨σAv⟩设定了具有竞争力的限制。
• 对于τ⁺τ⁻自湮灭通道，冰立方的银河系中心分析否定了⟨σAv⟩高于约10⁻²² cm³/s的值，与费米和帕梅拉最佳拟合数据的90%置信水平轮廓一致。
• 星系晕分析表明，不同暗物质密度模型（如NFW）在太阳系位置（8.5 kpc）下给出几乎相同的限制，降低了模型依赖性。
• 星系晕分析中已包含系统误差，但银河系中心分析尚未完全评估系统误差，表明仍需进一步优化。
• DeepCore的部署将能量阈值降低至数十GeV，显著提升了冰立方对低于100 GeV的暗物质候选者的灵敏度。