Indirect Dark Matter Search with Neutrinos in JUNO and THEIA - A Sensitivity Study

Abstract

Zahlreiche astrophysikalische Beobachtungen weisen darauf hin, dass der größte Teil der Materie im Universum in Form von Dunkler Materie vorliegt. Die Natur der Dunklen Materie ist jedoch bis heute unbekannt und stellt eine der bedeutendsten Fragen der Physik dar. Ein möglicher Ansatz das Rätsel über die Dunkle Materie zu lösen ist die indirekte Suche nach Dunkler Materie mit Neutrinos. Diese basiert auf der Hypothese, dass Dunkle Materie in Neutrinos annihiliert. Ein daraus resultierender Neutrino Fluss könnte von Neutrinodetektoren auf der Erde gemessen werden. Falls kein Signal beobachtet wird, kann eine Obergrenze für den Annihilations-Wirkungsquerschnitt der Dunklen Materie bestimmt werden. Die zukünftigen Neutrinodetektoren JUNO und THEIA können nach Dunkler Materie, insbesondere nach leichter Dunkler Materie mit einer Masse im Bereich von MeV bis GeV, suchen. Die Suche nach leichter Dunkler Materie wurde in den letzten Jahren immer bedeutsamer, da sie die übliche Suche nach WIMPs auf den Massenbereich zwischen MeV und GeV erweitert. In dieser Arbeit werden zum ersten Mal die Sensitivitäten von JUNO und THEIA für die indirekte Suche nach Dunkler Materie bestimmt. Dabei wird nach einem Überschuss an Neutrinos, welche durch Selbstannihilation von Dunkler Materie in der Milchstraße erzeugt werden, gegenüber Untergrundereignissen gesucht. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der direkten Annihilation von leichter Dunkler Materie mit einer Masse zwischen 15 MeV und 100 MeV in Neutrino-Antineutrino Paare. Das zu erwartende Signal der Elektron-Antineutrinos, welche durch den inversen beta-Zerfall (IBD) gemessen werden, und alle Untergrundbeiträge, die im sichtbaren Energiebereich von 10 MeV bis 100 MeV auftreten, werden für beide Detektoren bestimmt. Um Untergrundereignisse schneller Neutronen und atmosphärischer Neutrinos, die über den neutralen Strom (NC) wechselwirken, sehr effektiv reduzieren zu können, wird im Rahmen dieser Arbeit die Pulsformunterscheidung in JUNO untersucht und angewendet. THEIA könnte in Zukunft realisiert werden und würde sich dadurch auszeichnen, dass Cherenkov- und Szintillationslicht getrennt voneinander gemessen werden können. In dieser Arbeit werden Auswahlkriterien auf das Verhältnis von gemessenem Cherenkov- zu Szintillationslicht und auf die Anzahl der rekonstruierten Cherenkov Ringe bestimmt, wodurch Untergrundereignisse atmosphärischer NC Wechselwirkungen und schneller Neutronen in THEIA mit großer Effizienz reduziert werden können. Die Sensitivitäten von JUNO und THEIA werden basierend auf einer bayesschen Analyse mit Markov Chain Monte Carlo Sampling für Massen der Dunklen Materie von 15 MeV bis 100 MeV bestimmt. JUNO wird die höchste Sensitivität für die indirekte Suche nach Dunkler Materie mit Neutrinos unter den derzeit existierenden Neutrinodetektoren erreichen und in den kommenden Jahren eine führende Rolle bei der indirekten Suche nach Dunkler Materie einnehmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen zum ersten Mal, dass JUNO die beste derzeit existierende Obergrenze von Neutrinodetektoren auf den Annihilations-Wirkungsquerschnitt der Dunklen Materie nach einer Laufzeit von 10 Jahren um den Faktor 2 bis 9 verbessern wird. Das Entdeckungspotenzial JUNOs für ein Signal von Elektron-Antineutrinos aus der Annihilation Dunkler Materie wird für die meisten untersuchten Massen im Bereich zwischen 3 sigma und 5 sigma liegen, wenn die 90 % C.L. Obergrenze des Annihilations-Wirkungsquerschnitts von Super-Kamiokande angenommen wird. Diese Arbeit zeigt außerdem, dass THEIA, wenn es realisiert wird, eine mit JUNO vergleichbare Sensitivität erreichen könnte.

Extensive evidence from various astrophysical observations suggests that most of the matter in the universe is dark matter. However, the nature of dark matter is still unknown and remains one of the most prominent unanswered questions in physics today. A potential way to search for dark matter is the indirect dark matter search with neutrinos. It is based on the hypothesis that dark matter particles self-annihilate into neutrinos. This would result in a neutrino flux, which could be measured by neutrino detectors at Earth. In case of no excess signal is observed, a limit on the dark matter self-annihilation cross section can be set. The future neutrino detectors JUNO and THEIA can search for dark matter, especially for light dark matter particles with masses ranging from MeV to GeV. The search for such light dark matter particles has gained in importance in the last years as it extends the typical WIMP search to the sub-GeV mass range. In this work, the sensitivities of JUNO and THEIA to measure neutrinos from dark matter self-annihilation in the Milky Way as an excess over backgrounds are determined in detail for the first time. The work focuses on direct self-annihilation of light dark matter particles with masses ranging from 15 MeV to 100 MeV into neutrino-antineutrino pairs. The expected electron antineutrino signal measured through the inverse beta decay (IBD) reaction and all background contributions occurring in the visible energy region from 10 MeV to 100 MeV are determined for both detectors. To effectively reduce IBD-like background events of atmospheric neutrinos interacting via neutral current and of fast neutrons in JUNO, pulse shape discrimination is studied and applied in this work. THEIA would feature the separate measurement of Cherenkov and scintillation light. As a consequence, selection cuts on the ratio of measured Cherenkov to scintillation light and on the number of reconstructed Cherenkov rings are determined in this work, which can suppress atmospheric neutral current and fast neutron background events in THEIA with high efficiency. The sensitivities of JUNO and THEIA are determined using a Bayesian analysis and Markov Chain Monte Carlo sampling for dark matter masses ranging from 15 MeV to 100 MeV. JUNO will achieve the highest sensitivity for indirect dark matter search with neutrinos among existing neutrino detectors and will take a leading role in the indirect dark matter search in the upcoming years. The results of this work show for the first time that JUNO will improve the best currently existing 90 % C.L. upper limit of neutrino detectors on the dark matter self-annihilation cross section by a factor of 2 to 9 for 10 years of data taking. JUNO's potential to discover an electron antineutrino signal from dark matter self-annihilation in the Milky Way as an excess over backgrounds will be between 3 sigma and 5 sigma for most dark matter masses from 15 MeV to 100 MeV assuming an annihilation cross section that corresponds to the 90 % C.L. upper limit on the annihilation cross section of Super-K. This work moreover demonstrates that THEIA, if realized, could achieve a sensitivity comparable to JUNO.