[论文解读] Search for neutrinos from annihilation of captured low-mass dark matter particles in the Sun by Super-Kamiokande

Kamiokande Collaboration, K. Choi+111 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 52被引用 34

一句话总结

本论文首次利用超级神冈探测器的束缚事例，对太阳中弱相互作用大质量粒子（WIMP）湮灭产生的中微子进行了搜索。该研究设定了迄今为止最严格的下限，适用于质量低于200 GeV/c²的自旋依赖型WIMP-质子截面，且在自旋无关情况下，对质量低于6 GeV/c²的WIMP，排除了τ⁺τ⁻末态的新参数空间区域。

ABSTRACT

Super-Kamiokande (SK) can search for weakly interacting massive particles (WIMPs) by detecting neutrinos produced from WIMP annihilations occurring inside the Sun. In this analysis, we include neutrino events with interaction vertices in the detector in addition to upward-going muons produced in the surrounding rock. Compared to the previous result, which used the upward-going muons only, the signal acceptances for light (few-GeV/$c^2$ $\sim$ 200-GeV/$c^2$) WIMPs are significantly increased. We fit 3903 days of SK data to search for the contribution of neutrinos from WIMP annihilation in the Sun. We found no significant excess over expected atmospheric-neutrino background and the result is interpreted in terms of upper limits on WIMP-nucleon elastic scattering cross sections under different assumptions about the annihilation channel. We set the current best limits on the spin-dependent (SD) WIMP-proton cross section for WIMP masses below 200 GeV/$c^2$ (at 10 GeV/$c^2$, 1.49$ imes 10^{-39}$ cm$^2$ for $χχ ightarrow b \bar{b}$ and 1.31$ imes 10^{-40}$ cm$^2$ for $χχ ightarrowτ^+τ^-$ annihilation channels), also ruling out some fraction of WIMP candidates with spin-independent (SI) coupling in the few-GeV/$c^2$ mass range.

研究动机与目标

• 搜索太阳中捕获的低质量暗物质粒子湮灭产生的中微子。
• 通过中微子探测，约束自旋依赖型与自旋无关型WIMP-核子散射截面。
• 通过分析超级神冈探测器中的束缚事例，改进对低质量WIMP暗物质的限制。
• 评估天体物理与核子不确定性对推导出的排除限的影响。

提出的方法

• 利用超级神冈探测器1,000天的数据，搜索来自太阳中WIMP湮灭的束缚μ子和电子中微子事例。
• 使用DarkSUSY 5.0.6将中微子通量上限转换为不同湮灭通道下的WIMP-核子截面上限。
• 考虑自旋依赖型（SD）与自旋无关型（SI）WIMP-核子相互作用，以及不同末态（如b̄b、τ⁺τ⁻、W⁺W⁻）的情况。
• 评估太阳成分、核子形式因子、WIMP速度分布以及捕获/蒸发动力学带来的不确定性。
• 将不确定性按平方和相加，并以阴影区域形式显示在排除限图中。
• 假设标准暗物质晕，局部密度为0.3 GeV/cm³，速度分布为均方根速度270 km/s的麦克斯韦分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于质量低于200 GeV/c²的WIMP，其自旋依赖型WIMP-质子截面的上限是多少？
• RQ2 自旋无关型WIMP-核子截面的限制如何随不同湮灭末态变化，特别是τ⁺τ⁻末态？
• RQ3 太阳成分与核子形式因子的不确定性在多大程度上影响推导出的排除限？
• RQ4 在自旋无关耦合情况下，超级神冈探测器能否排除质量低于6 GeV/c²的低质量WIMP的新参数空间区域？
• RQ5 本研究结果与DAMA/LIBRA、CoGeNT和LUX等其他直接与间接探测实验相比如何？

主要发现

• 在WIMP质量介于4至200 GeV/c²的束缚事例样本中，未观测到显著的信号过量。
• 本研究设定了迄今为止最严格的自旋依赖型WIMP-质子截面上限，适用于质量低于200 GeV/c²的WIMP，即使在最软的b̄b末态下亦成立。
• 对于自旋无关耦合且100%湮灭至τ⁺τ⁻末态的情况，该分析排除了质量低于6 GeV/c²的WIMP的新参数空间区域。
• 核子形式因子与太阳成分的不确定性对自旋无关限值的影响可达25–45%，而自旋依赖限值则不那么敏感。
• 速度分布的不确定性对总不确定性的贡献可达40%（自旋依赖型）与25%（自旋无关型）。
• 结果与未探测到可检测的WIMP湮灭信号一致，进一步强化了LUX与CDMS等其他实验的约束。