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

通过使用 2007 年至 2022 年间的完整 ANTARES 数据集，本研究未发现太阳中存在暗物质湮灭的显著证据，从而为质量在 35 GeV 至 10 TeV 之间的弱相互作用大质量粒子（WIMP）与质子间的相互作用截面建立了改进的上界，且该结果与其他直接和间接暗物质搜索结果保持一致。

原作者： 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.

发布于 2026-09-30

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CC BY 4.0

原作者： 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

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

几十年来，天文学家一直知道可见的恒星和星系仅占宇宙的一小部分。其余部分是一种被称为暗物质的不可见物质，它具有引力，但不发射或反射光线。虽然我们无法直接看到它，但它的存在可以通过星系的旋转方式以及光线绕过质量巨大物体时的弯曲方式感受到。一种领先的理论认为，暗物质是由重且运动缓慢的粒子组成的，这些粒子极少与普通物质发生相互作用。如果这些粒子确实存在，它们偶尔可能会与像太阳这样巨大天体内部原子的原子核发生碰撞。一旦发生这种情况，这些粒子可能会被太阳的引力捕获，沉入核心，在那里它们可能会彼此碰撞并消失，从而以其他粒子（包括中微子）的形式释放能量。这些幽灵般的粒子以接近光速的速度穿行于空间，穿过行星和恒星而不发生停顿，将来自太阳中心的信息传递到地球。

一支利用位于地中海深处的 ANTARES 中微子望远镜工作的科学家团队，致力于倾听这一信息。该望远镜从 2007 年运行至 2022 年，由悬挂在黑暗海水中的庞大三维光传感器阵列组成。它的任务是捕捉当来自太空的高能中微子撞击水中的原子时产生的微弱蓝光闪烁，这种碰撞会产生一个移动速度超过光在水中传播速度的带电粒子。通过分析收集到的十五年完整数据集，研究人员专门寻找来自太阳方向的中微子异常信号。他们正在寻找一种能够证明暗物质粒子确实正在被太阳捕获并在其核心发生湮灭的信号。

该分析涵盖了从 35 GeV/c² 到 10 TeV/c² 的广泛可能的暗物质质量范围，并考虑了这些粒子湮灭的几种不同方式。团队使用复杂的计算机模型来预测信号应有的形态，并将其与宇宙射线撞击地球大气层产生的中微子背景噪声进行对比。在仔细过滤数据并应用严格的选择标准以确保探测到的粒子确实来自太阳之后，结果非常明确：没有发现显著的中微子异常。观测到的事件数量与仅从自然背景源所预期的数量完全吻合。

由于未发现信号，研究人员无法证实太阳中是否存在暗物质粒子，但他们也取得了对科学同样重要的成就：他们为这些粒子可能表现出的行为设定了新的、更严格的限制。通过排除某些可能性，他们缩小了未来实验的搜索范围。研究表明，如果这些暗物质粒子确实存在，那么它们与太阳中质子的相互作用频率比此前认为的还要低。得益于更大量的数据以及改进的低能粒子路径重建方法，这些新的限制比该团队早期研究取得的成果敏感了两到三倍。这些发现与来自其他寻找暗物质实验的结果一致，包括那些在地下实验室寻找直接碰撞的实验，以及那些在太空中寻找间接信号的实验。虽然太阳在这一特定问题上保持沉默，但信号的缺失有助于物理学家完善他们的理论，并为继续搜寻维持宇宙结构的不可见物质的下一代探测器提供指引。

技术摘要：利用完整 ANTARES 数据集搜索太阳中的暗物质湮灭

问题陈述
弱相互作用大质量粒子（WIMPs）仍是领先的候选粒子暗物质模型。在 WIMPs 被质量巨大的天体通过引力捕获的情景下，它们可能会在核心处聚集并湮灭成标准模型粒子，从而产生高能中微子。太阳在穿越银河系暗物质晕的过程中，是这些粒子的潜在陷阱。探测此类信号的主要挑战在于如何将潜在的中微子过剩信号与大气缪子和大气中微子构成的占主导地位的背景区分开来。此前的 ANTARES 合作组研究使用了有限的数据集；本研究旨在通过分析 ANTARES 中微子望远镜的完整运行数据集，实现灵敏度的最大化。

方法论
本分析利用了 ANTARES 中微子望远镜在地中海记录的完整数据集，时间跨度从 2007 年 2 月至 2022 年 2 月，对应于 12.47 年（4,551 天）的有效活时间。

探测器与事件重建： ANTARES 通过探测由中微子相互作用产生的二次带电粒子所激发的切伦科夫光进行探测。为了优化不同能量范围内的灵敏度，采用了三种不同的重建策略：
1. 方法 1： 针对单线命中事件的深度学习模型，目标是低能中微子（<100 GeV）。
2. 方法 2： 用于中等能量的 $\chi^2$ 类拟合，利用预期光子到达时间与测量时间之间的残差。
3. 方法 3： 针对高能（>500 GeV）的最大似然法，提供更优的角分辨率。
  对于每种 WIMP 质量和湮灭通道，均选择提供最佳灵敏度的策略。
信号与背景建模： 分析侧重于上行运动的缪子轨迹，以排除大气缪子的干扰。背景通过对事件的时间信息进行打乱（scrambling）来估算，利用太阳的运动来区分静态源信号与各向同性的大气中微子背景。信号假设为太阳核心内的 WIMP 湮灭，使用 WismSim 软件进行模拟。考虑了三种具有 100% 分支比的基准湮灭通道： $b\bar{b}$ 、 $\tau^+\tau^-$ 和 $W^+W^-$ 。
统计方法： 使用了扩展最大似然法，将信号事件数量 ( $n_s$ ) 视为自由参数。检验统计量 (TS) 定义为最佳拟合信号+背景假设与仅背景假设之间的似然比。在利用模拟和打乱数据完成所有选择截断和优化程序之前，分析过程处于盲测状态。

主要贡献

数据集扩展： 本工作分析的数据量是此前 ANTARES 太阳暗物质搜索的三倍，涵盖了探测器的完整运行历史。
优化重建： 实施多策略重建方法（深度学习、 $\chi^2$ 和最大似然法），实现了在宽质量范围（35 GeV/ $c^2$ 至 10 TeV/ $c^2$ ）内定制化的灵敏度。
全面限制： 研究推导了在指定质量范围内，针对三种湮灭通道的 WIMP-质子相互作用截面的上限，包括自旋相关（SD）和自旋无关（SI）相互作用。

结果

信号观测： 在来自太阳方向的中微子方面未观察到显著过剩。对于所有测试的质量和通道，拟合的信号事件数 ( $\hat{n}_s$ ) 在统计误差范围内与背景预期一致（p 值范围为 0.08 至 0.24）。
通量与截面限制： 建立了 90% 置信水平（CL）下的中微子通量和 WIMP-核子散射截面上限。
- 对于自旋相关相互作用，推导出的限制与直接探测实验（如 PICO-60, LZ）具有竞争性，并且在 100 GeV/ $c^2$ 以上的质量区域更为严格。
- 对于自旋无关相互作用，直接探测实验（如 XENONnT）目前提供了更严格的限制，但 ANTARES 的结果提供了补充性的约束。
与其他实验的比较： 结果与来自其他中微子望远镜（IceCube, Super-Kamiokande）及直接探测实验的限制保持一致。论文指出，ANTARES 与 IceCube 之间限制的差异部分归因于使用了不同的模拟工具（WimpSim 对比 $\chi$ aron）来生成中微子能谱。

意义与主张
论文声称，由于增加了活时间并改进了低能事件的重建技术，这些结果比之前的 ANTARES 出版物提高了两到三倍。该研究在较大的质量范围内，为太阳中暗物质湮灭截面提供了稳健的上界。虽然没有发现新现象，但结果有效地约束了理论暗物质模型，特别是预测自旋相关相互作用的模型，并证明了间接探测（中微子望远镜）与直接探测实验在寻找暗物质方面的互补性。研究结果与该领域其他重大实验报告的零结果（null results）是一致的。

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