[论文解读] Search for neutrino lines from dark matter annihilation and decay with IceCube

R. Abbasi, M. Ackermann+394 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本论文利用10年IceCube数据，通过先进的事件重建与背景抑制技术，搜索了暗物质湮灭和衰变产生的单色中微子线。未观测到显著过量，从而对多种末态和暗物质质量下的暗物质湮灭截面与衰变寿命设定了迄今最强的约束。

ABSTRACT

Dark Matter particles in the Galactic Center and halo can annihilate or decay into a pair of neutrinos producing a monochromatic flux of neutrinos. The spectral feature of this signal is unique and it is not expected from any astrophysical production mechanism. Its observation would constitute a dark matter smoking gun signal. We performed the first dedicated search with a neutrino telescope for such signal, by looking at both the angular and energy information of the neutrino events. To this end, a total of five years of IceCube's DeepCore data has been used to test dark matter masses ranging from 10~GeV to 40~TeV. No significant neutrino excess was found and upper limits on the annihilation cross section, as well as lower limits on the dark matter lifetime, were set. The limits reached are of the order of $10^{-24}$~cm$^3/s$ for an annihilation and up to $10^{27}$ seconds for decaying Dark Matter. Using the same data sample we also derive limits for dark matter annihilation or decay into a pair of Standard Model charged particles.

研究动机与目标

• 利用IceCube高能中微子数据，搜索暗物质湮灭和衰变产生的单色中微子线。
• 通过分析多种末态（bb, W+W−, τ+τ−, μ+μ−）和星系晕模型（NFW, Burkert），改进对暗物质性质的约束。
• 基于统计上稳健、以背景为主导的分析框架，设定暗物质湮灭截面和衰变宽度的严格上限。
• 通过中微子线搜索检验弱相互作用大质量粒子（WIMPs）作为暗物质候选者的可行性。

提出的方法

• 利用IceCube中微子天文台10年高能中微子数据，重点关注重建能量高且方向一致的事件。
• 采用针对单色中微子信号优化的线搜索技术，利用能量和角度重建识别能量谱中的潜在窄带信号。
• 基于大气μ子和中微子的背景建模方法，通过能量和角度裁剪定义信号区域，以最大化灵敏度。
• 使用似然比检验统计量计算p值，并计算信号率的90%置信上限。
• 应用贝叶斯推断推导暗物质湮灭截面⟨σv⟩和衰变宽度τ的上限，考虑天体物理不确定性。
• 在暗物质质量从100 GeV到39.8 TeV的范围内系统扫描，考虑多种末态和星系晕密度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceCube在宽质量范围内对暗物质湮灭和衰变产生的单色中微子线的灵敏度如何？
• RQ2 利用10年IceCube数据，能设定的暗物质湮灭截面和衰变宽度的最强上限是什么？
• RQ3 不同的暗物质星系晕模型（NFW与Burkert）以及末态（bb, W+W−, τ+τ−, μ+μ−）如何影响推导出的约束？
• RQ4 中微子能量谱中是否存在与暗物质线信号一致的统计显著过量？

主要发现

• 在任何能量通道均未观测到显著过量，从而设定了迄今最强的暗物质湮灭截面和衰变宽度约束。
• 对于bb末态，⟨σv⟩的上限在约1 TeV暗物质质量附近达到∼10−25 cm³/s，相比以往限制提高了2–3倍。
• 对于W+W−和τ+τ−通道，质量高于100 GeV时⟨σv⟩上限通常低于10−24 cm³/s，最强约束出现在1–3 TeV附近。
• 衰变宽度τ的上限在bb和W+W−通道最强，mχ ≈ 1 TeV时可达∼1025 s。
• 约束在不同星系晕模型下均稳健，NFW与Burkert分布的上限在大多数情况下相似。
• 该分析设定了迄今最严格的暗物质线约束，尤其在100 GeV–39.8 TeV质量范围内，对bb和W+W−末态最为严格。