[论文解读] Searches for Connections between Dark Matter and High-Energy Neutrinos with IceCube

R. Abbasi, M. Ackermann+384 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用冰立方中微子天文台探测到的高能中微子，对暗物质进行了搜寻，分析了衰变和湮灭两种过程。尽管未发现显著信号，但该研究在暗物质耦合强度方面设定了更严格的限制，特别是针对keV–MeV量级的媒介粒子，在参数空间的关键区域超越了以往的宇宙学约束。

ABSTRACT

In this work, we present the results of searches for signatures of dark matter decay or annihilation into Standard Model particles, and secret neutrino interactions with dark matter. Neutrinos could be produced in the decay or annihilation of galactic or extragalactic dark matter. Additionally, if an interaction between dark matter and neutrinos exists then dark matter will interact with extragalactic neutrinos. In particular galactic dark matter will induce an anisotropy in the neutrino sky if this interaction is present. We use seven and a half years of the High-Energy Starting Event (HESE) sample data, which measures neutrinos in the energy range of approximately 60 TeV to 10 PeV, to study these phenomena. This all-sky event selection is dominated by extragalactic neutrinos. For dark matter of $\sim$ 1 PeV in mass, we constrain the velocity-averaged annihilation cross section to be smaller than $10^{-23}$cm$^3$/s for the exclusive $\mu^+\mu^-$ channel and $10^{-22}$ cm$^3$/s for the $b\bar b$ channel. For the same mass, we constrain the lifetime of dark matter to be larger than $10^{28}$ s for all channels studied, except for decaying exclusively to $b\bar b$ where it is bounded to be larger than $10^{27}$ s. Finally, we also search for evidence of astrophysical neutrinos scattering on galactic dark matter in two scenarios. For fermionic dark matter with a vector mediator, we constrain the dimensionless coupling associated with this interaction to be less than 0.1 for dark matter mass of 0.1 GeV and a mediator mass of $10^{-4}~$ GeV. In the case of scalar dark matter with a fermionic mediator, we constrain the coupling to be less than 0.1 for dark matter and mediator masses below 1 MeV.

研究动机与目标

• 利用冰立方数据搜寻暗物质衰变和湮灭为高能中微子的信号。
• 改进keV–MeV质量范围内暗物质-中微子散射耦合强度的约束。
• 评估冰立方对来自银心和河外源的暗物质信号的探测灵敏度。
• 评估天体中微子背景对探测弥漫河外暗物质的影响。
• 识别通过探测器升级和更优冰介质建模未来灵敏度的改进方向。

提出的方法

• 利用冰立方探测器中高能中微子事例，重点关注与τ中微子和电子中微子起源一致的事件。
• 应用方向和能量重建技术，识别来自银心和河外源的潜在暗物质信号。
• 采用基于似然的统计分析方法，设定暗物质衰变和湮灭截面的上限。
• 结合理论模型，研究具有标量或费米子媒介的暗物质，重点关注keV–MeV质量范围。
• 将结果与基于中微子熵转移和小尺度扰动阻尼的宇宙学限制进行比较。
• 使用蒙特卡洛模拟建模背景，包括弥漫天体中微子通量，并评估其对灵敏度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方能否探测到来自银心暗物质衰变或湮灭的高能中微子？
• RQ2 当前冰立方对暗物质-中微子耦合的限制与现有宇宙学约束相比如何？
• RQ3 冰立方对具有keV–MeV量级媒介的暗物质，特别是中微子散射情形下的探测灵敏度如何？
• RQ4 弥漫天体中微子通量的不确定性在多大程度上限制了对河外暗物质信号的探测？
• RQ5 未来升级如IceCube-Upgrade和IceCube Gen-2将如何提升对高质质量暗物质和弥漫中微子背景的探测灵敏度？

主要发现

• 未观测到高能中微子事例的显著过量，与仅含背景的预期一致。
• 对具有标量暗物质和费米子媒介的模型，改进了暗物质-中微子耦合强度的限制，在参数空间的大部分区域超越了现有宇宙学边界。
• 对于具有矢量媒介的费米子暗物质，该研究在keV–MeV质量范围内获得了比以往宇宙学限制更紧的约束。
• 最显著的类信号通道出现在暗物质衰变或湮灭为中微子的场景中，凸显了此类通道在未来搜寻中的重要性。
• 冰光学性质的不确定性仍是高能τ中微子和电子中微子事例角分辨率的主要限制因素。
• 未来IceCube-Upgrade和IceCube Gen-2预计将显著提升灵敏度，尤其针对高质质量暗物质和弥漫河外信号。