[论文解读] First results on the search for dark matter in the Sun with the ANTARES neutrino telescope

Gordon Lim|arXiv (Cornell University)|May 14, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 14

一句话总结

本论文首次利用ANTARES中微子望远镜在5线配置下的数据，给出了太阳中暗物质湮灭产生的中微子通量的上限。该研究展示了对mSUGRA参数空间——特别是焦点点区域——的灵敏度，其中中性子暗物质可能产生可探测的μ中微子信号，而未来的KM3NeT有望显著提升这一灵敏度。

ABSTRACT

The ANTARES collaboration is currently operating the largest neutrino detector in the Northern Hemisphere. One of the goals of ANTARES is the search for dark matter in the universe. In this paper, the first results on the search for dark matter in the Sun with ANTARES in its 5 line configuration, as well as sensitivity studies on the dark matter search with the full ANTARES detector and the future cubic-kilometer neutrino telescope studied by the KM3NeT consortium are presented.

研究动机与目标

• 利用ANTARES中微子望远镜，首次设定太阳中暗物质湮灭产生的中微子通量的实验上限。
• 评估ANTARES在5线配置下对超对称暗物质候选者（特别是中性子）的灵敏度。
• 预测完整ANTARES探测器和未来KM3NeT立方公里中微子望远镜对太阳中暗物质的探测灵敏度。
• 将中性子在太阳中湮灭的中微子通量理论预测与ANTARES在mSUGRA参数空间中的实验上限进行比较。

提出的方法

• 利用位于地中海的ANTARES中微子望远镜（一种切伦科夫探测器，共12条线，分析中使用5条线的数据），探测由中微子相互作用产生的向上穿行μ子。
• 使用mSUGRA模型和DarkSUSY模拟软件计算太阳中中性子湮灭产生的预期中微子通量，并施加WMAP原初密度测量的约束。
• 应用蒙特卡罗模拟来建模大气中微子和μ子背景，并优化信号探测的搜索圆锥半径。
• 基于观测数据和背景估计，确定了能量高于10 GeV的中微子通量在90%置信水平下的上限，以及能量高于1 GeV的μ子通量。
• 通过ANTARES和KM3NeT的有效面积，评估探测灵敏度，使用作为能量和mSUGRA参数函数的中微子通量。
• 使用Metropolis算法对mSUGRA参数空间进行采样，重点关注与WMAP观测结果一致的原初中性子密度的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用ANTARES 5线配置，首次中微子通量从太阳中暗物质湮灭的上限是什么？
• RQ2 ANTARES对mSUGRA参数空间（特别是焦点点区域）中中性子暗物质的灵敏度如何？
• RQ3 完整ANTARES探测器和未来KM3NeT望远镜对太阳中中性子湮灭产生的中微子信号的预期灵敏度如何？
• RQ4 中性子在太阳中湮灭的中微子通量理论预测与ANTARES的实验上限相比如何？

主要发现

• 在90%置信水平下，对太阳中能量高于10 GeV的中微子通量的上限被设定为约1.5 × 10⁻⁶ km⁻² year⁻¹（针对‘硬’湮灭通道）。
• 能量高于1 GeV的μ子通量上限确定为约1.2 × 10⁻⁶ km⁻² year⁻¹，与背景预期一致。
• ANTARES展示了对mSUGRA焦点点区域部分区域的灵敏度，该区域因增强的耦合而使中性子湮灭产生高能中微子。
• 在3年数据采集后，完整ANTARES探测器预计可排除焦点点区域中mSUGRA模型的显著部分。
• KM3NeT（具有1 km³的仪器化体积）预计可对焦点点区域中几乎所有mSUGRA模型实现灵敏探测，包括高tan(β)的模型。
• 蒙特卡罗模拟证实了观测背景率与预期背景估计之间具有良好的一致性，验证了分析框架的可靠性。