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Search for dark matter annihilation in the Sun using the full ANTARES dataset

Utilizando el conjunto de datos completo de ANTARES de 2007 a 2022, este estudio no encontró evidencia significativa de la aniquilación de materia oscura en el Sol, estableciendo así límites superiores mejorados en las secciones eficaces de interacción WIMP-protón para masas entre 35 GeV y 10 TeV que son consistentes con otras búsquedas de materia oscura directas e indirectas.

Autores originales: A. Albert, S. Alves, M. André, M. Ardid, S. Ardid, J. -J. Aubert, J. Aublin, B. Baret, S. Basa, Y. Becherini, B. Belhorma, F. Benfenati, V. Bertin, S. Biagi, J. Boumaaza, M. Bouta, M. C. Bouwhuis, H.

Publicado 2026-09-30

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CC BY 4.0

Autores originales: A. Albert, S. Alves, M. André, M. Ardid, S. Ardid, J. -J. Aubert, J. Aublin, B. Baret, S. Basa, Y. Becherini, B. Belhorma, F. Benfenati, V. Bertin, S. Biagi, J. Boumaaza, M. Bouta, M. C. Bouwhuis, H. Brânzaş, R. Bruijn, J. Brunner, J. Busto, B. Caiffi, D. Calvo, S. Campion, A. Capone, L. Caramete, F. Carenini, J. Carr, V. Carretero, T. Cartraud, S. Celli, M. Chabab, T. Chiarusi, M. Circella, J. A. B. Coelho, A. Coleiro, R. Coniglione, P. Coyle, A. Creusot, A. F. Díaz, B. De Martino, C. Distefano, I. Di Palma, C. Donzaud, D. Dornic, D. Drouhin, T. Eberl, A. Eddymaoui, T. van Eeden, D. van Eijk, S. El Hedri, A. Enzenhöfer, P. Fermani, G. Ferrara, F. Filippini, L. A. Fusco, S. Gagliardini, J. García-Méndez, C. Gatius Oliver, P. Gay, N. Geißelbrecht, H. Glotin, R. Gozzini, R. Gracia Ruiz, K. Graf, C. Guidi, L. Haegel, H. van Haren, A. J. Heijboer, Y. Hello, L. Hennig, J. J. Hernández-Rey, J. Hößl, F. Huang, G. Illuminati, B. Jisse-Jung, M. de Jong, P. de Jong, M. Kadler, O. Kalekin, U. Katz, A. Kouchner, I. Kreykenbohm, V. Kulikovskiy, R. Lahmann, M. Lamoureux, A. Lazo, D. Lefèvre, E. Leonora, G. Levi, S. Le Stum, S. Loucatos, J. Manczak, M. Marcelin, A. Margiotta, A. Marinelli, P. Migliozzi, A. Moussa, R. Muller, S. Navas, E. Nezri, B. Ó Fearraigh, E. Oukacha, A. M. Păun, G. E. Păvălaş, S. Peña-Martínez, M. Perrin-Terrin, P. Piattelli, C. Poirè, T. Pradier, N. Randazzo, D. Real, G. Riccobene, A. Romanov, A. Sánchez Losa, A. Saina, F. Salesa Greus, D. F. E. Samtleben, M. Sanguineti, P. Sapienza, F. Schüssler, J. Seneca, M. Spurio, Th. Stolarczyk, M. Taiuti, Y. Tayalati, B. Vallage, G. Vannoye, V. Van Elewyck, S. Viola, D. Vivolo, J. Wilms, S. Zavatarelli, A. Zegarelli, J. D. Zornoza, J. Zúñiga

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Durante décadas, los astrónomos han sabido que las estrellas y galaxias visibles constituyen solo una pequeña fracción del universo. El resto es una sustancia invisible llamada materia oscura, la cual ejerce gravedad pero no emite ni refleja luz. Aunque no podemos verla directamente, su presencia se siente en la forma en que las galaxias giran y en cómo la luz se curva alrededor de objetos masivos. Una de las principales teorías sugiere que la materia oscura está compuesta por partículas pesadas y de movimiento lento que rara vez interactúan con la materia ordinaria. Si estas partículas existen, podrían colisionar ocasionalmente con los núcleos de los átomos dentro de objetos masivos como el Sol. Cuando esto sucede, las partículas podrían quedar atrapadas por la gravedad del Sol, hundiéndose hacia el núcleo donde podrían colisionar entre sí y desaparecer, liberando energía en forma de otras partículas, incluyendo neutrinos. Estas partículas fantasmales viajan por el espacio casi a la velocidad de la luz, atravesando planetas y estrellas sin detenerse, llevando un mensaje desde el centro del Sol hacia la Tierra.

Un equipo de científicos que trabaja con el telescopio de neutrinos ANTARES, ubicado en las profundidades del Mar Mediterráneo, se propuso escuchar este mensaje. El telescopio, que operó desde 2007 hasta 2022, consistía en un vasto arreglo tridimensional de sensores de luz suspendidos en las aguas oscuras. Su trabajo era captar los tenues destellos de luz azul producidos cuando un neutrino de alta energía proveniente del espacio golpeaba un átomo en el agua, creando una partícula cargada que se movía más rápido de lo que la luz puede viajar en el agua. Al analizar el conjunto completo de datos recopilados durante quince años, los investigadores buscaron específicamente un exceso de estos neutrinos provenientes de la dirección del Sol. Buscaban una señal que demostrara que las partículas de materia oscura están siendo efectivamente capturadas y aniquiladas en el núcleo de nuestra estrella.

El análisis cubrió un amplio rango de posibles masas de materia oscura, desde 35 GeV/c² hasta 10 TeV/c², y consideró diversas formas en las que estas partículas podrían aniquilarse. El equipo utilizó sofisticados modelos computacionales para predecir cómo debería ser la señal y la comparó contra el ruido de fondo de los neutrinos creados por los rayos cósmicos al impactar la atmósfera terrestre. Tras filtrar cuidadosamente los datos y aplicar estrictos criterios de selección para asegurar que las partículas detectadas provenían realmente del Sol, el resultado fue claro: no hubo un exceso significativo de neutrinos. El número de eventos observados coincidió exactamente con lo que se esperaría de las fuentes naturales de fondo por sí solas.

Debido a que no se encontró ninguna señal, los investigadores no pudieron confirmar la existencia de partículas de materia oscura en el Sol, pero lograron algo igualmente importante para la ciencia: establecieron nuevos y más estrictos límites sobre cómo podrían comportarse estas partículas. Al descartar ciertas posibilidades, delimitaron el espacio de búsqueda para futuros experimentos. El estudio determinó que, si estas partículas de materia oscura existen, interactúan con los protones en el Sol con una frecuencia incluso menor de la que se pensaba anteriormente. Estos nuevos límites son dos a tres veces más sensibles que los alcanzados por el mismo equipo en estudios previos, gracias a la mayor cantidad de datos y a los métodos mejorados para reconstruir las trayectorias de partículas de baja energía. Los hallazgos son consistentes con los resultados de otros experimentos que buscan materia oscura, tanto aquellos que buscan colisiones directas en laboratorios subterráneos como aquellos que buscan señales indirectas en el espacio. Aunque el Sol permanece silencioso ante esta pregunta específica, la ausencia de una señal ayuda a los físicos a refinar sus teorías y guía a la próxima generación de detectores mientras continúan la caza de la sustancia invisible que mantiene unido al universo.

Resumen Técnico: Búsqueda de la aniquilación de materia oscura en el Sol utilizando el conjunto de datos completo de ANTARES

Planteamiento del problema
Las partículas masivas que interactúan débilmente (WIMPs, por sus siglas en inglés) siguen siendo un candidato principal para la materia oscura. En escenarios donde las WIMPs son capturadas gravitacionalmente por cuerpos celestes masivos, estas pueden acumularse en el núcleo y aniquilarse en partículas del Modelo Estándar, produciendo neutrinos de alta energía. El Sol, al desplazarse a través del halo de materia oscura de la Galaxia, actúa como una trampa potencial para estas partículas. El desafío principal para detectar esta señal es distinguir un posible exceso de neutrinos del fondo dominante de muones atmosféricos y neutrinos atmosféricos. Las búsquedas anteriores realizadas por la Colaboración ANTARES utilizaron conjuntos de datos limitados; este trabajo tiene como objetivo maximizar la sensibilidad mediante el análisis del conjunto de datos operativo completo del telescopio de neutrinos ANTARES.

Metodología
El análisis utiliza el conjunto de datos completo registrado por el telescopio de neutrinos ANTARES en el Mar Mediterráneo desde febrero de 2007 hasta febrero de 2022, lo que corresponde a un tiempo de vida efectivo de 12.47 años (4,551 días).

Detector y reconstrucción de eventos: ANTARES detecta la luz de Cherenkov de partículas cargadas secundarias producidas por interacciones de neutrinos. Para optimizar la sensibilidad en diferentes rangos de energía, se emplearon tres estrategias de reconstrucción distintas:
1. Método 1: Modelos de aprendizaje profundo (deep learning) para eventos con impactos en una sola línea, dirigidos a neutrinos de baja energía (<100 GeV).
2. Método 2: Un ajuste tipo $\chi^2$ para energías intermedias, utilizando los residuales entre los tiempos de llegada de fotones esperados y medidos.
3. Método 3: Un método de máxima verosimilitud para altas energías (>500 GeV), que ofrece una resolución angular superior.
  Para cada masa de WIMP y canal de aniquilación, se seleccionó la estrategia que proporcionaba la mejor sensibilidad.
Modelado de señal y fondo: El análisis se centra en trazas de muones ascendentes para rechazar los muones atmosféricos. El fondo se estima mediante el barajado (scrambling) de la información temporal de los eventos, aprovechando el movimiento del Sol para distinguir una señal de fuente estática del fondo de neutrinos atmosféricos isotrópicos. La hipótesis de la señal asume la aniquilación de WIMPs en el núcleo del Sol, simulada utilizando el software WimpSim. Se consideraron tres canales de aniquilación de referencia con relaciones de ramificación del 100%: $b\bar{b}$ , $\tau^+\tau^-$ y $W^+W^-$ .
Enfoque estadístico: Se utilizó un enfoque de máxima verosimilitud extendida, tratando el número de eventos de señal ( $n_s$ ) como un parámetro libre. El Estadístico de Prueba (TS) se definió como la razón de verosimilitud entre la hipótesis de señal+fondo con el mejor ajuste y la hipótesis de solo fondo. El análisis se mantuvo ciego hasta que se finalizaron todos los cortes de selección y los procedimientos de optimización utilizando simulaciones y datos barajados.

Contribuciones clave

Expansión del conjunto de datos: Este trabajo triplica la cantidad de datos analizados en comparación con las búsquedas anteriores de ANTARES para la materia oscura solar, cubriendo la historia operativa completa del detector.
Reconstrucción optimizada: La implementación de un enfoque de reconstrucción de múltiples estrategias (aprendizaje profundo, $\chi^2$ y máxima verosimilitud) permite una sensibilidad adaptada a un amplio rango de masas (35 GeV/ $c^2$ a 10 TeV/ $c^2$ ).
Límites exhaustivos: El estudio deriva límites superiores en la sección eficaz de interacción WIMP-protón tanto para interacciones dependientes del espín (SD) como independientes del espín (SI) en el rango de masa especificado y para los tres canales de aniquilación.

Resultados

Observación de la señal: No se observó un exceso significativo de neutrinos en la dirección del Sol. El número de eventos de señal ajustados ( $\hat{n}_s$ ) para todas las masas y canales probados fue compatible con las expectativas de fondo dentro de las incertidumbres estadísticas (los valores p oscilaron entre 0.08 y 0.24).
Límites de flujo y sección eficaz: Se establecieron límites superiores con un nivel de confianza (CL) del 90% para el flujo de neutrinos y la sección eficaz de interacción WIMP-nucleón.
- Para las interacciones dependientes del espín, los límites derivados son competitivos con, y en la región de masa por encima de 100 GeV/ $c^2$ más estrictos que, los de los experimentos de detección directa (p. ej., PICO-60, LZ).
- Para las interacciones independientes del espín, los experimentos de detección directa (p. ej., XENONnT) proporcionan actualmente límites más estrictos, aunque los resultados de ANTARES ofrecen restricciones complementarias.
Comparación con otros experimentos: Los resultados son consistentes con los límites de otros telescopios de neutrinos (IceCube, Super-Kamiokande) y experimentos de detección directa. El artículo señala que las diferencias en los límites entre ANTARES e IceCube pueden atribuirse parcialmente al uso de diferentes herramientas de simulación (WimpSim vs. $\chi$ aron) para los espectros de neutrinos.

Significancia y afirmaciones
El artículo afirma que estos resultados mejoran las publicaciones anteriores de ANTARES por un factor de dos a tres, debido principalmente al aumento del tiempo de vida y a la mejora en la reconstrucción de eventos de baja energía. El estudio proporciona límites superiores robustos sobre la sección eficaz de aniquilación de materia oscura en el Sol en un amplio rango de masas. Aunque no se realizó un descubrimiento, los resultados sirven para restringir los modelos teóricos de materia oscura, particularmente aquellos que predicen interacciones dependientes del espín, y demuestran la naturaleza complementaria de la detección indirecta (telescopios de neutrinos) y los experimentos de detección directa en la búsqueda de materia oscura. Los hallazgos son consistentes con los resultados nulos reportados por otros experimentos importantes en el campo.

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