[论文解读] Kaluza-Klein Dark Matter And Neutrinos From Annihilation In The Sun

Thomas Flacke, Arjun Menon+2 more|ArXiv.org|Aug 6, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 12

一句话总结

本文研究了具有一個通用额外维度的模型中，Kaluza-Klein暗物质候选者——即超荷规范玻色子（$B^{(1)}$）和中性 $W^3$ 规范玻色子（$W^{3(1)}$）的首次Kaluza-Klein激发态——的性质。研究计算了这些粒子在太阳中湮灭所产生的高能中微子通量，并发现当前IceCube数据对 $B^{(1)}$ 暗物质的约束比CDMS和XENON10等直接探测实验更为严格，而对于 $W^{3(1)}$，约束则稍弱。未来IceCube/DeepCore将探测到Ued参数空间的显著部分，特别是对 $B^{(1)}$ 的探测能力，可能超过即将开展的直接探测实验。

ABSTRACT

In models with one universal extra dimension (UED), the first Kaluza-Klein excitations of the hypercharge gauge boson, B^(1), and the neutral component of isospin gauge boson, W^3(1), are each viable dark matter candidates. In either case, such particles are predicted to accumulate in the core of the Sun, where they annihilate to generate a potentially observable flux of high energy neutrinos. In this article, we calculate the flux of neutrinos produced in this model and determine the constraints that can be placed on the UED parameter space from current IceCube data. For the case of B^(1) dark matter, we find that the present limits from IceCube are stronger than those from direct dark matter detection experiments such as CDMS and XENON10. For W^3(1) dark matter, the present IceCube data provides a constraint slightly weaker than direct detection experiments. In addition, we also present the projected regions of UED parameter space that can be probed by IceCube/DeepCore in the near future and compare them to the prospects for future direct detection experiments.

研究动机与目标

• 评估 $B^{(1)}$ 和 $W^{3(1)}$ Kalaiza-Klein粒子在通用额外维度（UED）模型中作为暗物质候选者的可行性。
• 计算这些暗物质粒子在太阳中湮灭所产生的高能中微子通量。
• 将当前IceCube数据对UED参数空间的约束与CDMS和XENON10等直接探测实验的约束进行比较。
• 预测未来IceCube/DeepCore以及Super-CDMS和XENON100等直接探测实验对这些暗物质候选者的探测灵敏度。

提出的方法

• 本研究采用具有一条通用额外维度的模型框架，其中所有标准模型场在被紧致化为 $S^1/\mathbb{Z}_2$ 对偶空间的平坦第五维中传播。
• 应用WIMP在太阳中捕获与湮灭的理论框架，假设在太阳系寿命期间捕获率与湮灭率处于平衡状态。
• 基于 $B^{(1)}$ 和 $W^{3(1)}$ 暗物质的湮灭通道，计算中微子通量，重点关注可被IceCube探测到的高能中微子。
• 将IceCube的有效面积建模为能量相关函数，并估算大气中微子背景率，以确定探测的阈值。
• 从当前IceCube数据和预期灵敏度推导出约束，并转化为对暗物质质量及其与Kaluza-Klein夸克质量差（$m_{\text{DM}}$–$r_q$ 平面）的限制。
• 将这些间接探测约束与直接探测实验的约束进行比较，重点关注自旋无关和自旋相关的散射截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前IceCube数据如何约束通用额外维度模型中 $B^{(1)}$ 和 $W^{3(1)}$ Kalaiza-Klein暗物质的参数空间？
• RQ2 来自太阳中微子通量的间接探测约束与CDMS和XENON10的直接探测限制相比，对这些暗物质候选者有何差异？
• RQ3 未来IceCube/DeepCore对 $B^{(1)}$ 和 $W^{3(1)}$ 暗物质的探测灵敏度如何？其表现与即将开展的直接探测实验相比如何？
• RQ4 为何IceCube对 $B^{(1)}$ 的探测灵敏度高于该模型中其他WIMP类暗物质候选者？
• RQ5 自旋相关散射截面和湮灭分支比在决定这些Kaluza-Klein暗物质候选者可探测性方面起什么作用？

主要发现

• 由于 $B^{(1)}$ 暗物质与核子具有较大的自旋相关散射截面，当前IceCube数据对 $B^{(1)}$ 暗物质的约束比CDMS和XENON10等直接探测实验更为严格。
• 对于 $W^{3(1)}$ 暗物质，IceCube的当前约束略弱于CDMS和XENON10的限制，表明直接探测对这一候选者仍更具敏感性。
• IceCube预计每年在太阳周围3°窗口内观测到约40个由大气中微子引发的μ子事例，这设定了暗物质信号探测的背景阈值。
• 在三年运行后，IceCube应能对太阳中暗物质湮灭产生的中微子通量设定95%置信水平的上限，约为每年6至7个事例。
• 未来IceCube/DeepCore将探测到 $m_{\text{DM}}$–$r_q$ 参数空间的显著区域，对 $B^{(1)}$ 暗物质的探测灵敏度可能超过即将开展的Super-CDMS和XENON100等直接探测实验。
• $B^{(1)}$ 暗物质候选者因主要湮灭为τ轻子和中微子，从而在探测器中产生可探测的μ子信号，而受到IceCube更有力的约束。