[论文解读] Search for relic neutralinos with Milagro

Lazar Fleysher|arXiv (Cornell University)|May 5, 2003

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文利用Milagro大气簇射探测器，通过中性希格斯玻色子湮灭产生的伽马射线，搜索了遗迹中性子——暗物质候选粒子——的信号。尽管未发现显著信号，该研究仍对中性子-质子截面、本地暗物质密度和光子产额的乘积设定了严格的上限，从而对中性子质量高达1 TeV的超对称暗物质模型进行了约束。

ABSTRACT

The neutralino, the lightest stable supersymmetric particle, is a strong theoretical candidate for the missing astronomical "dark matter". Depending on their annihilation cross section, relic neutralinos from early formation of the Universe trapped in orbits around massive objects may currently be annihilating at measurable rates. The Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model predicts that the gamma rays emerging from one of the annihilation modes will give a distinct monochromatic signal with energy between 100GeV and 10TeV, depending on the neutralino mass. An additional "continuum" spectrum signal of photons will be produced by the decay of secondaries produced in the non-photonic annihilation modes. Milagro is an air shower array which uses the water Cherenkov technique and is capable of detecting TeV gamma rays from the direction of the Sun with an angular resolution of less than a degree. It is the first instrument capable of establishing a limit on the gamma-ray flux from neutralino annihilations near the Sun. In this report results of a search for neutralino to photon annihilation with the Milagro gamma-ray observatory are presented.

研究动机与目标

• 检验超对称理论所预言的遗迹中性子是否可通过湮灭产生可探测的伽马射线信号的假设。
• 利用地基TeV伽马射线天文台，首次建立太阳附近中性子湮灭产生的伽马射线通量的实验上限。
• 约束中性子-质子散射截面、本地暗物质密度和每次湮灭事件的光子产额的乘积。
• 评估太阳系内中性子湮灭产生的单色与连续谱伽马射线信号的可探测性。

提出的方法

• 利用Milagro水契伦科夫探测器观测由太阳方向高能伽马射线引发的广延大气簇射。
• 应用事件重建技术，包括角分辨率、能量估计和粒子类型识别，以区分伽马射线与宇宙射线背景。
• 对太阳系内中性子湮灭密度进行蒙特卡罗模拟，结果表明40–50%的湮灭发生在太阳之外。
• 采用Neyman-Pearson标准的统计假设检验方法，设定伽马射线通量的上限，假设对背景强度无先验知识。
• 基于信号与背景的似然比构建检验统计量，该方法对未知背景水平不敏感，采用保守的临界区域。
• 将观测到的通量上限转化为不同中性子质量下σpχ、ρ₀和bγ乘积的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 被太阳系捕获的遗迹中性子是否可通过湮灭产生可探测的单色伽马射线信号？
• RQ2 发生在太阳之外的中性子湮灭对太阳区域总伽马射线通量的贡献预期有多大？
• RQ3 利用Milagro数据，可对太阳附近的中性子湮灭伽马射线通量设定多大的上限？
• RQ4 由于未观测到信号，该结果如何约束中性子-质子截面、本地暗物质密度和光子产额的乘积？

主要发现

• 未在太阳方向观测到显著的伽马射线信号，从而对湮灭中性子的通量设定了严格的上限。
• 对于1 TeV的中性子，假设无连续谱背景，其中性子-质子截面、本地暗物质密度和光子产额的乘积上限小于2.3。
• 蒙特卡罗模拟表明，40–50%的中性子湮灭发生在太阳之外，可能增强对弥散信号的可探测性。
• 统计方法成功在未知背景水平的情况下设定了上限，所采用的似然比检验对未知背景强度具有不变性。
• 本研究首次利用地基TeV探测器，对太阳附近的中性子湮灭伽马射线通量设定了实验上限。