Search for neutrinos from annihilation of dark matter in the galactic center with IceCube-79

Bissok, Martin; Hebbeker, Thomas; Wiebusch, Christopher

doi:34417

Search for neutrinos from annihilation of dark matter in the galactic center with IceCube-79 = Suche nach Neutrinos aus Annihilationen dunkler Materie im galaktischen Zentrum mit IceCube-79

Bissok, Martin

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Bissok

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangXIII, 165 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor) ; Hebbeker, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-046061
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/482054/files/482054.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/482054/files/482054.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; dark matter (frei) ; galactic center (frei) ; icecube (frei) ; neutrinos (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Suche nach einer vollständigen Theorie der dunklen Materie ist eines der wichtigsten Forschungsgebiete in der Teilchen-Astrophysik, Kosmologie und Teilchenphysik. Nach über 80 Jahren Forschung seit den ersten Hinweisen ist die wahre Natur der dunklen Materie weitgehend unverstanden. Bekannt ist in erster Linie, dass es sich um eine nicht-baryonische Art von Materie handelt, die nicht an elektromagnetischen Wechselwirkungen teilnimmt, und etwa 25% der Energiedichte im Universum ausmacht. Ihre gravitative Auswirkung auf die sichtbare Materie erlaubt zudem eine Kartierung der Dichteverteilung. Allerdings entzieht sich dunkle Materie bisher einer Beobachtung über diese gravitative Auswirkung hinaus. Indirekte Suchen nach dunkler Materie basieren auf der Annahme, dass Annihilation oder Zerfall zu einem messbaren Fluss an Botenteilchen, vor allem aus Regionen erhöhter Dichte, führen würden. Diese Dissertation beschreibt die Suche nach einem Neutrinofluss aus der Annihilation dunkler Materie im Galaktischen Zentrum mit IceCube-79.Die Dichte dunkler Materie in der Milchstraße ist im Zentrum am höchsten, d.h. auch die Flusserwartung aus Richtung des Zentrums ist maximal. Die Himmelsposition des Galaktischen Zentrums auf der Südhalbkugel stellt die Hauptherausforderung dieser Analyse dar. Der Untergrund aus atmosphärischen Myonen ist dominant, daher wurden spezielle Veto-Techniken entwickelt. Die finale Analyse basiert auf einem Likelihood-Ansatz, der die unterschiedlichen Verteilungen von Signal und Untergrund auf der Himmelskarte nutzt. Das Resultat der Analyse ist kompatibel mit der Nullhypothese, und es werden Ausschlussgrenzen für die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit dunkler Materie für den Massenbereich von 100GeV bis 10TeV gesetzt. Abschließend werden diese Grenzen mit anderen Analysen und Experimenten verglichen.

The search for a comprehensive theory of dark matter is one of the major fields of activity in particle astrophysics, cosmology and particle physics. Aftermore than 80 years of research since the first evidence for its existence, much has been learned, yet the nature of dark matter is unknown. It is clear, that a non-baryonic, non-radiating kind of matter makes up more than 25% of the energy density of the Universe. The gravitational interaction of dark matter with the visible Universe allows for a spatial mapping of the dark matter distribution on different scales, ranging from galaxies to clusters and large-scale filaments. However, dark matter has so far eluded a detection beyond inference from gravitational interaction. Indirect searches for dark matter attempt to detect a flux of messenger particles from dark matter annihilation or decay, originating from regions of increased dark matter density. This thesis describes the search for a flux of neutrinos from dark matter annihilation in the Galactic center with IceCube-79. The dark matter density is expected to peak in the Galactic center region, thus yielding the highest expected flux of final state particles. However, for IceCube the Galactic center is located in the southern hemisphere, thus the background of atmospheric muons from that direction provides a major challenge for this analysis. Dedicated techniques to veto this background are developed and discussed. Finally, a likelihood analysis is performed, that exploits the spatial shape of the expected flux. The result is compatible with the null hypothesis, and limits are set on the self-annihilation cross-section for a mass range from 100GeV to10TeV, and several benchmark annihilation channels. The most constraining limit for direct annihilation to neutrinos reaches down to 10e-23 cm^3/s at a mass of 100GeV. Finally, the limits are compared to other experimental results, and possible improvements to this analysis are discussed.

OpenAccess:
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