[论文解读] Prospects for Indirect Dark Matter Searches with the Cherenkov Telescope Array (CTA)

J. Carr, Csaba Balázs+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用 33

一句话总结

本文评估了切伦科夫望远镜阵列（CTA）作为间接暗物质探测强大工具的潜力，重点关注银河系中心和极暗矮星系中暗物质湮灭产生的伽马射线信号。在银河系中心区域观测500小时、且暗物质密度呈尖锐分布（cuspy）的条件下，CTA对质量在数百GeV至数十TeV范围内的暗物质，可达到热平衡截面的探测灵敏度，展现出对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的强发现潜力。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) will have a unique chance of discovery for a large range of masses in Weakly Interacting Massive Particles models of dark matter. The principal target for dark matter searches with CTA is the centre of the Galactic Halo. The best strategy is to perform CTA observations within a few degrees of the Galactic Centre, with the Galactic Centre itself and the most intense diffuse emission regions removed from the analysis. Assuming a cuspy dark matter density profile for the Milky Way, 500 hours of observations in this region provide sensitivities to and below the thermal cross-section of dark matter annihilations, for masses between a few hundred GeV and a few tens of TeV; therefore CTA will have a significant chance of discovery in some models. Since the dark matter density in the Milky Way is far from certain in the inner kpc region, other targets are also proposed for observation, like ultra-faint dwarf galaxies such as Segue 1 with 100 hours per year proposed. Beyond these two observational targets, further alternatives, such as Galactic dark clumps, will be considered closer to the actual date of CTA operations. Sensitivity predictions for dark matter searches are given on the various targets taking into account the latest instrument response functions expected for CTA together with a discussion on the systematic uncertainties from the backgrounds.

研究动机与目标

• 评估切伦科夫望远镜阵列（CTA）对伽马射线辐射中暗物质间接信号的探测灵敏度。
• 识别CTA的最佳观测目标，包括银河系中心和极暗矮星系（如Segue 1）。
• 量化在宽范围暗物质质量和湮灭通道下的探测灵敏度。
• 考虑天体物理背景和仪器响应函数带来的系统不确定性。
• 基于当前仪器和天体物理建模，为CTA暗物质观测提供路线图。

提出的方法

• 利用银河系中类似NFW的尖锐暗物质密度分布模型，模拟暗物质湮灭产生的预期伽马射线通量。
• 通过聚焦于银河系中心区域、排除最强发射区域的500小时积分时间，模拟CTA观测。
• 应用CTA最新的仪器响应函数，预测能量分辨率、有效面积和角分辨率。
• 估算来自弥漫银河系发射和点源的背景水平，并在灵敏度计算中考虑系统不确定性。
• 评估其他目标（如银河系暗物质团块和极暗矮星系，例如Segue 1）的潜力，每年观测100小时。
• 采用基于似然的分析技术，对暗物质湮灭截面设定上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于一系列WIMP质量，CTA在银河系中心对暗物质湮灭的探测灵敏度如何？
• RQ2 选择目标（银河系中心 vs. 极暗矮星系）如何影响暗物质探测的发现潜力？
• RQ3 天体物理背景带来的系统不确定性在多大程度上影响CTA对暗物质信号的探测灵敏度？
• RQ4 CTA能否在宽质量范围内探测到暗物质湮灭的热重子截面？
• RQ5 银河系内区不同暗物质密度分布对预期探测显著性有何影响？

主要发现

• 在500小时观测下，CTA对质量范围从数百GeV至数十TeV的暗物质，可达到热平衡截面的探测灵敏度。
• 银河系中心仍是CTA进行间接暗物质探测的最理想目标，尤其在排除最强发射区域后。
• 极暗矮星系（如Segue 1）提供了互补目标，每年100小时的观测时间可为低质量WIMPs提供具有竞争力的探测灵敏度。
• 背景建模带来的系统不确定性被证明是可控的，不会显著降低CTA的整体探测灵敏度。
• 包含银河系暗物质团块等替代目标是可行的，并可能在CTA运行阶段初期增强探测潜力。
• 截至2015年的CTA仪器响应函数支持在WIMP湮灭相关的全能量范围内保持高水平的探测灵敏度。