[论文解读] The IceCube Neutrino Observatory - Contributions to ICRC 2017 Part IV: Searches for Beyond the Standard Model Physics

IceCube Collaboration, M. G. Aartsen+314 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文介绍了IceCube对标准模型之外新物理的搜索，包括通过探测太阳、地球及银河系晕中中微子的湮灭或衰变来寻找暗物质信号，以及探索奇异中微子性质。利用IceCube中微子望远镜的数据，该研究设定了暗物质湮灭截面和衰变速率的新上限，未观测到显著过量，从而对WIMPs和重中微子等模型的约束得到改善。

ABSTRACT

Papers on searches for beyond the standard model physics, submitted to the 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2017, Busan, South Korea) by the IceCube Collaboration

研究动机与目标

• 搜索太阳、地球及银河系晕等天体中由湮灭或衰变产生的中微子形式的暗物质信号。
• 检验标准模型之外理论模型，包括重的稳定或长寿命粒子以及奇异中微子相互作用。
• 通过分析IceCube的高能中微子数据，特别是银心等兴趣区域，改进对暗物质性质的约束。
• 探索新型探测技术（如水下发光）在未来的中微子望远镜中的应用。
• 将IceCube结果与ANTARES结果结合，以增强对暗物质湮灭中微子信号的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用嵌入南极冰层中的立方千米规模探测器IceCube中微子天文台的数据，识别高能中微子事例。
• 应用基于方向和能量的选择标准，以区分潜在的暗物质信号与大气及天体物理背景。
• 采用基于似然的分析技术，为不同目标区域的暗物质湮灭截面和衰变速率设定上限。
• 与ANTARES中微子望远镜联合分析，以增强对银心区域中微子信号的探测灵敏度。
• 引入新型探测方法，如水下延迟发光，以探索新的物理通道。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模信号和背景事例，包括中微子相互作用与探测器响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 IceCube能否探测到太阳、地球或银河系晕中暗物质湮灭产生的中微子？对暗物质模型的约束结果如何？
• RQ2 基于IceCube的中微子数据，重的长寿命暗物质粒子的衰变速率上限是多少？
• RQ3 与ANTARES联合分析如何提升对银心区域中微子信号的探测灵敏度？
• RQ4 新型探测方法（如水下发光）能否增强对奇异中微子相互作用的识别能力？
• RQ5 对过量中微子事例的非观测结果对重中微子或惰性中微子模型有何影响？

主要发现

• 在所有搜索中均未观测到背景之上的显著中微子事例过量，从而对暗物质湮灭截面设定了强有力的上限。
• 本研究设定了迄今为止最严格的上限，针对质量范围在100 GeV至10 TeV之间的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的自旋无关散射截面。
• 对于衰变为中微子的暗物质，分析表明其衰变寿命必须大于10^26秒（质量高于100 GeV）。
• 与ANTARES的联合分析提高了对银心区域中微子通量的探测灵敏度，排除了质量高于1 TeV的某些WIMP模型。
• 水下发光的测量提供了一种新型且可行的探测方法，适用于未来的中微子望远镜，具有改善背景抑制的潜力。
• 对太阳和地球储存暗物质的搜索中未发现信号，表明在90%置信水平下，中微子产生截面较大的模型已被排除。