Velocity independent constraints on spin-dependent DM-nucleon interactions from IceCube and PICO

Abstract

Adopting the Standard Halo Model (SHM) of an isotropic Maxwellian velocity distribution for dark matter (DM) particles in the Galaxy, the most stringent current constraints on their spin-dependent scattering cross-section with nucleons come from the IceCube neutrino observatory and the PICO-60 C 3 F 8 superheated bubble chamber experiments. The former is sensitive to high energy neutrinos from the self-annihilation of DM particles captured in the Sun, while the latter looks for nuclear recoil events from DM scattering off nucleons. Although slower DM particles are more likely to be captured by the Sun, the faster ones are more likely to be detected by PICO. Recent N-body simulations suggest significant deviations from the SHM for the smooth halo component of the DM, while observations hint at a dominant fraction of the local DM being in substructures. We use the method of Ferrer et al. (JCAP 1509: 052, 2015) to exploit the complementarity between the two approaches and derive conservative constraints on DM-nucleon scattering. Our results constrain σ SD 3 × 10 −39 cm 2 (6 × 10 −38 cm 2) at 90% C.L. for a DM particle of mass 1 TeV annihilating into τ + τ − (bb) with a local density of ρ DM = 0.3 GeV/cm 3. The constraints scale inversely with ρ DM and are independent of the DM velocity distribution.

Estudio de modelos de materia oscura leptónica fría y sus efectos en escenarios de interés cosmológico

“…Figura 4.2: Espectro de energía de partícula independiente para el 131 Xe. Derecha: protones, izquierda: neutrones En este trabajo calculamos éS n(p) ê utilizando la aproximación de cuasipartícula independiente para un detector de 131 Xe (54 protones y 77 neutrones), cuyos niveles de energía de partícula independiente se muestran en la Figura 4.2 ( la notación nlj, corresponde a: n el número cuántico radial, l el número cuántico orbital, j el momento angular).…”

“…Comenzamos ubicando los 77 neutrones siguiendo el espectro de partícula independiente presentado, obteniendo que el primer orbital activo es 5h 11/2 . Al comparar con el espectro experimental del 131 Xe (ver Figura 4.3), vemos que el estado 5h 11/2 no determina la estructura fundamental del 131 Xe, ya que tiene una energía de 0.16 MeV. Su estado fundamental corresponde a un estado de spin 3/2 y paridad positiva (π = (−1) l ), estado identificado como 3/2 + (j π ).…”

“…Es decir que el modelo de partícula independiente no logra explicar el espectro experimental. Figura 4.3: Espectro de energía experimental para el 131 Xe. Figura extraída de la referencia [101].…”

“…Encontramos que el espectro resultante presenta una inversión y re-ocupación de los niveles, de manera que los niveles activos serán los que se encuentren cerca del mínimo de la energía de cuasipartícula (Figuras 4.4 y 4.5). El espectro del 131 Xe para los neutrones se ve modificado (Figura 4.6), ahora el nivel fundamental se encuentra degenerado y está formado por los niveles 4g 7/2 y 4d 5/2 .…”

“…Como habíamos visto anteriormente, el estado fundamental del 131 Xe obtenido experimentalmente [101] corresponde con el estado 3/2 + . Ahora bien, el 131 Xe puede pensarse como el 130 Xe con un neutrón activo extra.…”