[论文解读] High Energy Neutrinos As A Test of Leptophilic Dark Matter

Douglas Spolyar, Matthew R. Buckley+3 more|ArXiv.org|May 29, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 23

一句话总结

本文提出，IceCube/DeepCore 检测到的高能中微子可用于检验解释 PAMELA 和费米伽马射线空间望远镜宇宙射线异常的轻子偏好型暗物质模型。结果表明，若 PAMELA 和 Fermi 的信号源自同一暗物质粒子，则 IceCube/DeepCore 应能探测到来自银河系中心的中微子信号；若仅 PAMELA 的正电子过剩由暗物质引起，则可施加强约束。

ABSTRACT

Recently, observations by PAMELA, the Fermi Gamma Ray Space Telescope, and other cosmic ray experiments have generated a great deal of interest in dark matter (DM) particles which annihilate at a high rate to leptons. In this letter, we explore the possibility of using large volume neutrino telescopes, such as IceCube, to constrain such models; specifically we consider signals due to DM annihilation in the inner Milky Way. We find that, if Dark Matter annihilations are responsible for the signals observed by PAMELA and FGST, then IceCube (in conjunction with the planned low threshold extension, DeepCore) should detect or exclude the corresponding neutrino signal from the inner Milky Way with a few years of observation.

研究动机与目标

• 检验 PAMELA 和费米伽马射线空间望远镜观测到的异常宇宙射线正电子和电子谱是否可由轻子偏好型暗物质湮灭解释。
• 评估 IceCube 及其低阈值扩展部分 DeepCore 检测来自银河系内区暗物质湮灭的高能中微子的可探测性。
• 确定 IceCube/DeepCore 对不同暗物质质量及湮灭道（特别是偏好μ子、τ子或中微子的道）的灵敏度。
• 基于中微子探测或未探测结果，约束暗物质湮灭至轻子末态的分支比。
• 评估 IceCube/DeepCore 区分暗物质湮灭与衰变情景的潜力，尽管后者因简要起见被暂且搁置。

提出的方法

• 建模银河系晕中暗物质湮灭产生的中微子通量，假设存在增强因子以考虑超出热退耦合预期的湮灭速率。
• 利用 IceCube/DeepCore 探测器几何结构与背景抑制能力，特别是主 IceCube 阵列对大气μ子的抑制作用，以及 DeepCore 对电磁簇射的探测能力。
• 模拟 DeepCore 中能量阈值低至数十 GeV 的中微子诱导簇射事例，从而实现对暗物质湮灭低能信号的灵敏探测。
• 将预测的中微子通量与 IceCube/DeepCore 的探测阈值和背景水平进行比较，采用 5σ 显著性作为探测标准，2σ 作为排除限。
• 应用角分辨率与簇射区分技术以提升信背比，假设性能提升可进一步增强灵敏度。
• 计算为重现 PAMELA 和 Fermi 信号所需暗物质湮灭的增强因子，并与 IceCube/DeepCore 的可探测范围进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 若 PAMELA 和 Fermi 宇宙射线异常源自同一轻子偏好型暗物质粒子，IceCube/DeepCore 是否能在银河系中心探测到相应的高能中微子信号？
• RQ2 对于仅能解释 PAMELA 正电子过剩的暗物质模型，IceCube/DeepCore 的探测灵敏度如何？其对 μ 子、τ 子或中微子末态湮灭分支比的约束能力如何？
• RQ3 与标准 IceCube 相比，DeepCore 的低阈值能力在探测暗物质湮灭产生的中微子簇射方面有何提升？
• RQ4 角分辨率与电磁簇射和强子簇射的区分技术在 IceCube/DeepCore 中微子暗物质搜寻中，能在多大程度上提升信背比？
• RQ5 若存在 Sommerfeld 增强或暗物质分布中的子结构，对 IceCube/DeepCore 中微子信号可探测性有何影响？

主要发现

• 若 PAMELA 正电子过剩与 Fermi 电子谱均由同一轻子偏好型暗物质粒子引起，则 IceCube/DeepCore 在数年内观测后应能以超过 5σ 的显著性探测到相应的中微子信号。
• 对于主要湮灭至 μ 子或 τ 子的 500 GeV 暗物质粒子，IceCube/DeepCore 在与 PAMELA 数据一致的全部增强因子范围内（包括宇宙射线传播模型的不确定性）均处于 2σ 探测能力之内。
• 当暗物质粒子具有直接湮灭至中微子的道时，IceCube/DeepCore 的探测能力得到扩展，信号率显著提高。
• 即使对于质量较轻的暗物质粒子，IceCube/DeepCore 也能对湮灭至轻子的分支比施加严格约束，尽管完全排除参数空间的可能性较低。
• 若能提升角分辨率及电磁簇射与强子簇射的区分能力，将显著增强 IceCube/DeepCore 探测或约束信号的统计效能。
• 本研究证实，IceCube/DeepCore 是探测轻子偏好型暗物质的强大工具，能够检验通过高产率、轻子偏好型湮灭解释 PAMELA 和 Fermi 异常的模型。