Природные потоки нейтрино высокой энергии и скрытая масса Вселенной Ольга Суворова ИЯИ РАН Сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН ИТЭФ 26-Ноября-2009

2 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Космические лучи и нейтрино * Рассматриваемый диапазон высоких энергий : ГэВ- сотни ТэВ – возможности поиска аннигиляции темной материи Neutrino energy (eV) * В атмосфере Земли: pA ± /K ± + 0 +… e e

Темного вещества в 5 раз больше, его плотность < h 2 < * Нейтрино ~ видимая материя * Нейтралино ( LSP: SUSY WIMPs) * К-К частицы * Сверх-тяжелые wimpzillas * Аксионы * Q-balls * аксино; гравитино;...; Формы темной материи ? 3 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Релятивистские Нерелятивистские Объективно: доля излучающего энергию вещества H & He: газ 4% Хим.эл. тяжелее H&He: 0.025% Звёзды: 0.5% излучение: 0.005% Нейтрино: 0.47%

4 Эксперименты по поиску частиц тёмной материи Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Нейтринные телескопы (Баксан (ИЯИ РАН), Байкал (ИЯИ РАН), SuperK, IceCube, ANTARES, km3Net * -телескопы (HESS, FERMI LAT, MAGIC... ) * Низкофоновые эксперименты (CDMS, XENON, EDELWEISS, DAMA...) * На ускорителях (LHC) - Энергия отдачи ядра в реакции WIMP-нуклон и энерго дефицит в распадах Потоки частиц в реакции WIMP-WIMP

5 Нейтринные телескопы Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Принцип детектирования X atmospheric µ ν induced µ M.Mарков, 1960 Измерение потока из нижней полусферы на нейтринных телескопах подземных (оптика сцинт. изл., черенк. изл.) подводных и подледных (оптика черенк. изл.)

6 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Накопление WIMPs в солнечной системе L C m ~ (m /100 GeV) erg s -1 loc ~ 0.3 GeV/cm 3 N = C C /C A ) tanh(t C C C A )) Г А = ½ C C tanh 2 (t C C C A ) )

7 Каналы прямых (prompt) нейтрино τ + τ - τ W H τ τ ll, bb, tt, cc, Z 0 Z 0, W W, ZH 0, Zh 0, H 0 A 0, h 0 A 0,W H l l (Z,A,h, 0, ) Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 SUSY: аннигиляция и -N рассеяние i Bi=Bi= адронизация, фрагментация, распад Вероятность i-канала аннигиляции

Поток мюонов, индуцированных нейтрино от аннигиляции Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, ГэВ 2) нейтрино от фрагментации кварков m = 50 ГэВ 1 ТэВ 1) нейтрино от и WW распадов 100 ГэВ 1 ТэВ E / m Относительные единицы Инклюзивные спектры Е -1.5 Е -1 Частота аннигиляций Вероятность i-канала аннигиляции 8

9 Пример*: вероятности осцилляций нейтрино при прохождении ими вещества Солнца из центра Солнца к поверхности в зависимости от энергии Пример*: вероятность поглощения e с учетом осцилляций Регенерация нейтрино в распадах тау лептона * Е.Климай, С.Михеев Распространение DM нейтрино в Солнце: осцилляция и взаимодействия в среде Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009

10 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Спектры нейтрино и антинейтрино на уровне детектора

11 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Статистический анализ отклика телескопа на -сигнал: Угловое распределение относительно источника (Солнце, …): реконструкция событий по направлениям и сравнение с МК атмосферных нейтрино и с МК нейтрино от аннигиляции нейтралино. Энергетическое распределение МК моделирование восстановления энергии мюона индуцированного нейтрино. Вероятность регистрации нейтрино от аннигиляции пары как функция параметров (SUSY, массы)- МК моделирование Оптимизация угла поиска Сигнал/Фон (реальная стратегия на всех НТ) Оптимизация Сигнал/Фон (не реализовано, в будущем?)

12 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Результаты поиска

13 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Баксанский Подземный Сцинтилляционный Телескоп Глубина: 850 hg/cm 2 17x17x11 m детекторов N induced /N atm ~ Триггер > 10 МэВ в к-л плоскости Темп: 17 Гц Два триггера, темп: 0.02 Гц Угловое разрешение: 1.5º Временное разрешение: 5 ns детектирует нейтрино с декабря 1978 года: 1699 / 24.1 года ж.в.

14 Вероятность от Солнца Вероятность от Земли Масса нейтралино (ГэВ/c 2 ) Вероятность регистрации мюона от аннигиляции χχ в Солнце и в Земле Баксанским ПСТ Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009

Ограничения Баксанского ПСТ на число -событий от Солнца 15 90% c.l. Измеренный фон Угол мюон-Солнце

Ограничения Баксанского ПСТ на частоту аннигиляций χχ в Солнце 16 mSUGRA тест-модели

17 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Байкальский НТ-200+ Фотодетекторы Квазар ( =37cm) NT200+ = NT внеш. стр (36 ОМ ) H x = 210m x 200m, V inst = m 3 Veff: 10 4 TeV ~ 10 Mton NT200: 8 струн (192 ОМ ) H x = 70m x 40m, V inst =10 5 m 3 1 TeV Veff: 10 TeV~ 0.2 Mton ~ 3.6 km to shore, 1070 m depth

18 Baikal NT200: , hard Baksan1997 AMANDA-II2001, hard MACRO1998 Super-K2001 IceCube , hard Ограничения на 90% д.у. на дополнительные потоки мюонов от Солнца Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009

19 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Ограничения на 90% д.у. на сечение -N рассеяния MSSM

20 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009

21 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Пределы на сечение -N рассеяния в прямых экспериментах SK-2009: SD Xenon : SD

Определение наблюдаемого потока мюонов Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Поток: Эфф. площадь: Вероятность: 22

A · A Upp.Lim. = Upp.Lim. (m ) F · F Upp.Lim. = Upp.Lim. (m ) Теоретический расчет, параметры модели и плюс зависимость от E th и нейтринных спектров Ограничения на 90% д.у. на спин-зависимое сечение взаимодействия нейтралино в Солнце Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Теоретический расчет, SUSY, астрофизические и ядернофизические параметры

24 Ограничения на 90% д.у. на частоту аннигиляций в Солнце (по данным Байкальского NT200 -preliminary) Baksan 2006 Baikal NT200: , hard AMANDA-II2001, hard IceCube , hard Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009

25 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 SUSY: аннигиляция и -N рассеяние

26 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, МК 34 Верхний предел 10 3 km -2 ·yr -1 Ограничения БПСТ на -поток от аннигиляции нейтралино в Солнце и Земле

Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Нейтралино: плюсы и минусы в поиске сигнала Масса: от ~~ГэВ до 200 ТэВ (±) разные кинематические возможности. Фермион: спин ½ (+) кроме скалярного взаимодействия – аксиальное. Майорановская частица: (±) сечение аннигиляции массе вылет. частиц ~m 2 f Типы взаимодействий кроме гравитационного: аннигиляция и упругое рассеяние на ядрах вещества (+), оба сечения порядка или слабее слабого (±) Имеет >4 массовых состояний, легчайшее - стабильное (+). Комбинированный состав : свойства зависят от доли суперпартнеров калибровочных и хиггсовких бозонов и тем самым от сотни параметров суперсимметрии () нет выделенной области. 27

MSSM neutralino models Время установления равновесия τ eq Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 eq ( C с C A ) -1 < t Sun =4.5 x 10 9 лет

Измеренные потоки мюонов на НТ Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 ANTARES: (2008) 174 active days 582 upgoing events Байкал- НТ нейтрино за 1038 дней ж. вр. ( ) IceCube-22 (2009) 276 days livetime 5114 upgoing events 29

30 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 AMANDA: Распределения соответствуют атмосферному происхождению Измерения на Южном полюсе: наибольшая статистика

31 Фон от атмосферных нейтрино Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Космические Лучи высокой энергии 15 км π p, A e e Для обнаружения сигнала от удаленного источника поток должен превысить уровень Flx atm. (При 1 ГэВ: ~100 м -2 с -1 ).

32 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Измеренные на БПСТ нейтринные события 1102 из нижней полусферы за лет ж.в. наблюдения -90 ° +90 ° 360° 360° 0° 0°

33 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 IceCube/ AMANDA

34 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 ANTARES ~2m 12 lines with 25 total of 885 PMTs Completed 30-May neutrinos in 342 days l.t. ( yrs)

35 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Ограничения Super-Kamiokande 2009

36 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 Концепция тёмной материи Исторический аспект: 1930 г. Hubble & Humason измерили дисперсию скоростей 500 < p < 1200 km/s кластеров галактик и получили 500 < p < 1200 km/s применили теорему вириала к Virgo и Coma: Zwicky & Smit применили теорему вириала к Virgo и Coma: и получили M>>500 видимой массы 2T + U = 0 или M R /G и получили Mo >>500 видимой массы Точная космология: с 2003 эпоха измерений CMB -телескопа WMAP

Уровни видимости темной материи * Гравитация: динамика галактик и кластеров, грав.линзирование, … 37 Ольга Суворова ИТЭФ Ноябрь, 2009 * Реликтовое излучение: T анизотропия CMB (COBE, WMAP,…) * В нашей Галактике ? * В Солнечной системе ?? Aномалии в потоках КЛ e+, anti-p, (EGRET, ATIC, PAMELA) (DAMA/LIBRA) Линия 511 КэВ от ц.Галактики; CMB превышение от ц.Галактики (INTEGRAL) (WMAP) 0.22< ρ loc < 0.73 GeV/cm 3