[论文解读] Search for the Kaluza-Klein Dark Matter with the AMANDA/IceCube Detectors

M. Danninger, K. Han|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文利用AMANDA-II和IceCube-22的数据，通过太阳中WIMP湮灭产生的高能中微子，搜索Kaluza-Klein暗物质（LKP）。其对自旋依赖的LKP-质子散射截面具有竞争力的探测灵敏度，获得的限制与直接探测实验相当，并覆盖了理论上有动机的500至1500 GeV质量范围。

ABSTRACT

A viable WIMP candidate, the lightest Kaluza-Klein particle (LKP), is motivated by theories of universal extra dimensions. LKPs can scatter off nuclei in large celestial bodies, like the Sun, and become trapped within their deep gravitational wells, leading to high WIMP densities in the object's core. Pair-wise LKP annihilation could lead to a detectable high energy neutrino flux from the center of the Sun in the IceCube neutrino telescope. We describe an ongoing search for Kaluza-Klein solar WIMPs with the AMANDA-II data for the year 2001, and also present a UED dark matter sensitivity projected to 180 days from a study of data taken with the combined AMANDA II and IceCube detector in the year 2007. A competitive sensitivity, compared to existing direct and indirect search experiments, on the spin-dependent cross section of the LKP on protons is also presented.

研究动机与目标

• 通过太阳中WIMP湮灭产生的高能中微子信号，搜索Kaluza-Klein暗物质（LKP）。
• 评估AMANDA-II和IceCube-22探测器构型对LKP诱导的μ子通量的灵敏度。
• 对LKP与质子的自旋依赖散射截面进行约束预测，并与直接探测限制进行比较。
• 在通用额外维度（UED）框架下，评估AMANDA与IceCube数据结合在间接暗物质探测中的性能。

提出的方法

• 利用AMANDA-II探测器（2001年）和AMANDA-II + IceCube-22（2007年）的联合数据，搜索由中微子在探测器中相互作用产生的向上穿行μ子。
• 采用太阳WIMP分析方法，在太阳位于地平线以下时（天顶角90°–113°）选择数据，利用地球作为背景滤波器。
• 使用CORSIKA模拟大气μ子，ANIS模拟大气中微子，WIMPSIM生成质量范围为250 GeV至3000 GeV的LKP信号。
• 通过结合信号概率密度函数并加权分支比，计算每个湮灭通道的有效体积 $V_{\text{eff}}$。
• 计算中微子到μ子转换率的90%置信水平上限 $\overline{\Gamma}_{\nu\rightarrow\mu}^{90\%}$，然后利用通道相关的常数将其转换为湮灭率 $\overline{\Gamma}_{A}^{90\%}$。
• 利用平衡条件 $\Gamma_{A} = C^{\odot}$，通过公式 $\sigma_{\text{H,SD}} \simeq 0.597 \times 10^{-24} \text{pb} \cdot (m_{B^{(1)}}/1\text{TeV})^2 \cdot (\overline{\Gamma}_{A}^{90\%}/s^{-1})$ 推导自旋依赖截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 AMANDA-II和IceCube-22探测器构型对太阳中LKP湮灭产生的高能中微子的灵敏度如何？
• RQ2 对自旋依赖的LKP-质子散射截面的预测灵敏度与现有直接探测限制相比如何？
• RQ3 AMANDA与IceCube数据的结合能否探测到通用额外维度模型中理论预测的LKP质量区域？
• RQ4 全尺寸IceCube-80探测器在提升对LKP WIMP理论约束方面的预期性能如何？

主要发现

• 在IceCube-22 + AMANDA组合配置下，180天观测时间的灵敏度可实现对太阳中LKP湮灭产生的μ子通量的90%置信水平上限，有效体积在LKP质量约1 TeV时可达约1.2 km³。
• 分析预测在LKP质量500 GeV至1500 GeV范围内，对自旋依赖的LKP-质子散射截面的灵敏度达到 $10^{-24}$ pb量级，与直接探测实验的灵敏度相当。
• 理论预测的自旋依赖截面（图3中的阴影区域）根据KK夸克质量在 $10^{-25}$ 至 $10^{-24}$ pb之间变化，而本分析的预测灵敏度覆盖了该范围的低端。
• LKP在太阳中的捕获率主要由自旋依赖分量主导，这为聚焦于该通道以优化灵敏度提供了合理依据。
• 由于对撞机约束，排除了LKP质量低于300 GeV的区域；由于WMAP遗迹密度约束，排除了质量高于1500 GeV的区域，从而显著缩小了可行参数空间。
• 全尺寸IceCube-80探测器预计将显著提升灵敏度，由于LKP湮灭产生的 $\nu_\mu$ 具有硬能谱特征，因此可对LKP WIMP模型施加强约束。