[论文解读] Indirect searches for dark matter annihilations toward dwarf spheroidal galaxies with VERITAS

M. Vivier|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文报告了VERITAS对五个矮球状星系的观测，旨在搜寻来自暗物质（DM）湮灭的极高能（VHE）伽马射线，重点关注具有Sommerfeld增强的湮灭截面模型。尽管未检测到显著过量，但观测结果对暗物质湮灭截面设定了严格的上限，排除了质量高达17 TeV的wino类及标量介导的暗物质模型中具有共振增强的可能。

ABSTRACT

In the cosmological paradigm, cold Dark Matter (DM) dominates the mass content of the Universe and is present at every scale. Candidates for DM include many extensions of the standard model, with a weakly interacting massive particle (WIMP) in the mass range from 50 GeV to greater than 10 TeV. The self-annihilation of WIMPs in astrophysical regions of high DM density can produce secondary particles, including very high energy (VHE) gamma rays, with energies up to the dark matter particle mass. The VERITAS array of Cherenkov telescopes, designed for the detection of VHE gamma rays in the 100 GeV-10 TeV energy range, is an appropriate instrument for the detection of DM and is complementary to Fermi-LAT. Dwarf spheroidal galaxies (dSphs) of the Local Group are potentially the best targets to search for the annihilation signature of DM due to their proximity and large DM content. We report on the latest VERITAS observations of dSphs and discuss the results in the framework of WIMP models.

研究动机与目标

• 搜寻来自矮球状星系（dSphs）的极高能（VHE）伽马射线中暗物质湮灭的间接证据。
• 约束弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质模型，特别是那些具有Sommerfeld增强以提升湮灭截面的模型。
• 通过利用dSph中高暗物质密度和低天体物理背景的特性，提升对暗物质湮灭的探测灵敏度。
• 基于VERITAS的观测数据，检验特定暗物质模型（如wino类中性子和标量介导的暗物质）的可行性。
• 利用VHE伽马射线数据，对dSph观测结果提供迄今为止最严格的对速度平均湮灭截面⟨σv⟩的限制。

提出的方法

• VERITAS，一个由四台12米成像大气契伦科夫望远镜组成的阵列，对五个dSph（包括大熊座I、大熊座II、大犬座I、大犬座II和天龙座I）进行了指向式观测。
• 观测采用偏移点控模式（±0.5°偏移），以实现同时的源点和背景测量，从而减少系统误差。
• 数据通过标准IACT技术进行处理：相机图像校准、Hillas参数选择，以及利用反射背景模型估算背景。
• 采用Li & Ma方法计算过量显著性，并使用Rolke方法推导95%置信水平（CL）的伽马射线通量上限。
• 通量上限假设微分通量具有-2.6的幂律谱指数，并对300 GeV以上的能量进行积分。
• 通过将观测到的通量上限与两种具有Sommerfeld增强的模型的理论预测进行比较，推导出对湮灭截面⟨σv⟩的限制：一种为wino类中性子模型，另一种为轻标量媒介模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 VERITAS能否探测到来自矮球状星系中暗物质湮灭的VHE伽马射线信号？
• RQ2 VERITAS观测如何约束具有Sommerfeld增强湮灭截面的WIMP暗物质模型？
• RQ3 观测在多大程度上排除了如wino类中性子或具有共振增强的标量介导暗物质等特定暗物质模型？
• RQ4 VERITAS的限制与3×10⁻²⁶ cm³s⁻¹的典型热退耦合截面相比如何？
• RQ5 VERITAS对dSph观测在1–17 TeV质量范围内对共振湮灭特征的探测灵敏度如何？

主要发现

• 在对天龙座I、大熊座II、大犬座I、大犬座II和天龙座I的VERITAS观测中，均未检测到显著的伽马射线过量。
• 对Segue 1的95%置信水平（CL）上限，即300 GeV以上积分VHE伽马射线通量为0.8×10⁻¹² cm⁻²s⁻¹，是所研究dSph中最为严格的限制。
• VERITAS对速度平均湮灭截面⟨σv⟩的上限处于10⁻²¹至10⁻²³ cm³s⁻¹量级，具体取决于目标天体。
• 对于模型I（wino类中性子），VERITAS排除了在约4.5 TeV和17 TeV暗物质质量处的共振Sommerfeld增强。
• 对于模型II（标量介导的DM，mϕ = 250 MeV），VERITAS不支持该模型，尤其在e⁺e⁻和μ⁺μ⁻衰变道中，当湮灭截面超过典型值3×10⁻²⁶ cm³s⁻¹时更为明显。
• Segue 1的观测结果为迄今为止dSph观测中对Sommerfeld增强暗物质模型设定的最严格限制，尽管仍比热退耦合截面高两个数量级。