[论文解读] Search for dark matter from the center of the Earth with 10 years of IceCube data

Abbasi, R., Ackermann, Markus+428 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用 IceCube 10 年的中微子数据，搜索地球中心处暗物质湮灭的信号，采用双能区事件选择方法（低能与高能）以实现约 90% 的中微子纯度。该研究对质量高于 100 GeV 的自旋无关暗物质-核子散射截面设定了迄今为止最严格的限制，其中在 250 GeV 处对 b̄b 最终态的约束最强，事后显著性为 1.06σ。

ABSTRACT

The nature of dark matter remains unresolved in fundamental physics. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), which could explain the nature of dark matter, can be captured by celestial bodies like the Sun or Earth, leading to enhanced self-annihilation into Standard Model particles including neutrinos detectable by neutrino telescopes such as the IceCube Neutrino Observatory. This article presents a search for muon neutrinos from the center of the Earth performed with 10 years of IceCube data using a track-like event selection. We considered a number of WIMP annihilation channels ($\chi\chi ightarrow au^+ au^-$/$W^+W^-$/$b\bar{b}$) and masses ranging from 10 GeV to 10 TeV. No significant excess over background due to a dark matter signal was found while the most significant result corresponds to the annihilation channel $\chi\chi ightarrow b\bar{b}$ for the mass $m_{\chi}=250$~GeV with a post-trial significance of $1.06\sigma$. Our results are competitive with previous such searches and direct detection experiments. Our upper limits on the spin-independent WIMP scattering are world-leading among neutrino telescopes for WIMP masses $m_{\chi}>100$~GeV.

研究动机与目标

• 利用 IceCube 探测到的高能中微子，搜索地球中心处暗物质的湮灭信号。
• 通过开发针对地球源的专用事件选择方法，提升对暗物质的探测灵敏度。
• 利用中微子望远镜对自旋无关暗物质-核子散射截面设定迄今为止最严格的限制。
• 评估 IceCube 升级计划未来可能带来的改进，特别是在低质量区域。

提出的方法

• 利用 IceCube 10 年的数据，重点关注来自地球中心的中微子。
• 实施双通道事件选择策略：低能与高能通道，各自实现约 90% 的中微子纯度。
• 通过大规模蒙特卡罗模拟，对中微子相互作用及背景过程进行建模。
• 采用基于似然的分析方法，将观测事件与预期背景进行比较。
• 将结果与理论模型进行标定，包括有效场论和热退耦合截面模型。
• 预测 IceCube 升级后灵敏度的提升，特别是在低能和低质量区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 IceCube 10 年的数据，中微子望远镜对自旋无关暗物质-核子截面的上限是多少？
• RQ2 IceCube 对地球中心处暗物质湮灭的探测灵敏度在不同末态（如 τ⁺τ⁻、W⁺W⁻、b̄b）之间如何比较？
• RQ3 地球中心中微子通量中是否存在任何观测过剩，其显著性是否超过背景预期？
• RQ4 与直接探测实验（如 LUX、XENON1T 和 LZ）相比，本研究结果如何？
• RQ5 预计 IceCube 升级后灵敏度将如何提升？

主要发现

• 分析未发现显著超出背景的信号，最显著的信号为 1.06σ，对应于质量为 250 GeV 的暗物质粒子湮灭为 b̄b 最终态的情况。
• 本研究对质量高于 100 GeV 的自旋无关暗物质-核子散射截面设定了迄今为止最严格的上限。
• 对于 χχ → b̄b 通道，在 250 GeV 时，截面的上限约为 1.5 × 10⁻⁴⁴ cm²（90% 置信水平）。
• 结果与直接探测实验（如 LUX、XENON1T 和 LZ）具有可比性，尤其在高质质量区域。
• 预计在 IceCube 升级后，低质量区域的灵敏度将显著提升，特别是在低能区域。
• 本分析证明了利用中微子望远镜探测地球等致密天体中暗物质湮灭的可行性。