Velocity Independent Constraints on Spin-Dependent DM-Nucleon Interactions from IceCube and PICO

Aartsen, M. G.; Hill, G. C.; Choi, S.; Leonard, K.; Koirala, R.; Stettner, J.; Schneider, J.; Bourbeau, E.; Sandrock, A.; Conrad, J. M.; Momenté, G.; Hignight, J.; Huber, T.; Cruz-Venegas, N. A.; Steuer, A.; Oehler, M.; Snihur, R.; Pankova, D. V.; Wichoski, U.; Seunarine, S.; Yuan, T.; Moore, R. W.; Rawlins, K.; Jin, M.; Anderson, T.; Haack, C.; Ahlers, M.; Montaruli, T.; Schröder, F. G.; Naumann, U.; Lippincott, W. H.; Rysewyk, D.; Štekl, I.; Lünemann, J.; Ruhe, T.; Unger, E.; Broerman, B.; Diaz, A.; Hebecker, D.; Makino, Y.; Kintscher, T.; Lyu, Y.; Ryckbosch, D.; Wiebe, K.; Robertson, S.; Rhode, W.; Fallows, S.; Asner, D. M.; Katz, U.; Menne, T.; Unland Elorrieta, M. A.; Niederhausen, H.; Ardid, M.; Kiryluk, J.; Sahoo, S.; Sullivan, T.; Griswold, S.; Morse, R.; Santander, M.; Chen, C. J.; Hoffmann, R.; Kappesser, D.; Filimonov, K.; Sarkar, S.; Nygren, D. R.; Axani, S.; Soedingrekso, J.; Becker, K.-H.; Ahrens, M.; Fazely, A. R.; Hellauer, R.; Zacek, V.; van Santen, J.; Hardy, C.; Binder, G.; Ehrhardt, T.; Collin, G. H.; Cooper, P. S.; Pieloth, D.; Laurin, M.; Ma, W. Y.; Turley, C. F.; Van Driessche, W.; Spiering, C.; Japaridze, G. S.; de With, M.; Madsen, J.; Felis, I.; Lazar, J. P.; Zhang, J.; Tilav, S.; In, S.; Brostean-Kaiser, J.; Raab, C.; Lucarelli, F.; Sonnenschein, A.; Resconi, E.; Wendt, C.; Kelley, J. L.; Filgas, R.; Lohfink, E.; Ganster, E.; Pandya, H.; Nowicki, S. C.; Micallef, J.; Engel, R.; Hickford, S.; Silva, M.; Mase, K.; Pinat, E.; Blot, S.; Stamatikos, M.; Balagopal, A., V.; Aguilar, J. A.; Bagherpour, H.; Dahl, C. E.; Joppe, R.; Halzen, F.; Desiati, P.; Weiss, M. J.; Andeen, K.; Schumacher, L.; Kolanoski, H.; Stößl, A.; Priya, S.; Luszczak, W.; McNally, F.; Hünnefeld, M.; Sclafani, S.; Garrappa, S.; Medina, A.; Stezelberger, T.; Deoskar, K.; Maruyama, R.; Stokstad, R. G.; Dvorak, E.; Börner, M.; Price, P. B.; Clark, K.; Satalecka, K.; Grant, D.; Chirkin, D.; Medici, M.; Farine, J.; Amole, C.; Argüelles, C.; Ghorbani, K.; Coppin, P.; Köpke, L.; Walkowski, N.; Crisler, M.; Stachurska, J.; Cao, G.; Karg, T.; Bourbeau, J.; Kopper, C.; Taboada, I.; Starinski, N.; Klein, S. R.; Adams, J.; Kurahashi, N.; Schaufel, M.; Oedekerk, P.; Cowen, D. F.; DeLaunay, J. J.; Krings, K.; Giroux, G.; Harris, O.; Heereman, D.; Leszczynska, A.; Hall, J.; Glauch, T.; Berley, D.; Yan, Y.; Gallagher, J.; Bai, X.; Liu, Q. R.; Wiebusch, C. H.; Raissi, A.; Renschler, M.; Ter-Antonyan, S.; Strotjohann, N. L.; Seth, S.; Correa, P.; Lu, L.; Karl, M.; Porcelli, A.; de Vries, K. D.; Schneider, A.; Podviyanuk, R.; Scallon, O.; Cheung, E.; Kang, W.; Krauss, C. B.; Mallot, K.; Jero, K.; Olivas, A.; Dave, P.; Auffenberg, J.; Schlunder, P.; Steinmüller, P.; Bernardini, E.; IceCube Collaboration; Reimann, R.; Hokanson-Fasig, B.; Carver, T.; Wrede, G.; Przybylski, G. T.; Sanchez Herrera, S. E.; Mallik, P.; Muth, P.; Cross, R.; Lauber, F.; Gerhardt, L.; Wandkowsky, N.; Huber, M.; Meier, M.; Haungs, A.; Braun, J.; Labare, M.; Buscher, J.; Eller, P.; Safa, I.; Palczewski, T.; BenZvi, S.; Ty, B.; Gündüz, M.; Neer, G.; Jonske, F.; Rameez, M.; Sullivan, G. W.; Leblanc, A.; Glüsenkamp, T.; Robinson, A. E.; Neilson, R.; de Wasseige, G.; Baur, S.; Shefali, S.; Hussain, R.; Botner, O.; Burgman, A.; Becker Tjus, J.; Griffith, Z.; Hanson, K.; Xu, X. W.; Nania, T.; O'Murchadha, A.; Halve, L.; Lawson, I.; Sandroos, J.; Rea, I. C.; Kyriacou, A.; Hultqvist, K.; Stein, Robert; Plante, A.; Rauch, L.; Williams, D. R.; Stuttard, T.; Lanfranchi, J. L.; Das, M.; Bohm, C.; Bron, S.; Meures, T.; Evenson, P. A.; Pizzuto, A.; Hoshina, K.; Fahey, S.; van Eijndhoven, N.; Böttcher, J.; Anton, G.; Vanheule, S.; Baum, V.; Rott, C.; Tardif, F.; Tomankova, L.; Huang, F.; Merino, G.; Busse, R. S.; Barwick, S. W.; Tenholt, F.; Xu, D. L.; PICO Collaboration; Leuermann, M.; Maunu, R.; Rongen, M.; Trettin, A.; Bastian, B.; Soldin, D.; Levine, I.; Vandenbroucke, J.; Collar, J. I.; Terliuk, A.; De Ridder, S.; Ackermann, Markus; Nagai, R.; Alispach, C.; Xu, Y.; Fritz, A.; Yanez, J. P.; O'Sullivan, E.; Whitehorn, N.; Kappes, A.; Crowder, G.; Chen, C.; Richman, M.; Bressler, M.; Obertacke Pollmann, A.; Lozano Mariscal, C. J.; Hoinka, T.; Coleman, A.; Weaver, C.; Klopfenstein, L.; Chowdhury, U.; Gaisser, T. K.; Mamedov, F.; Behnke, E.; Meagher, K.; Kim, J.; Kang, D.; Hoppe, E. W.; Turcotte, R.; Backes, P.; Yodh, G.; Bradascio, F.; Tselengidou, M.; Iovine, N.; Wood, T. R.; Wallace, A.; Tung, C. F.; Whelan, B. J.; Renzi, G.; Werthebach, J.; Mahn, K. B. M.; Maurya, D.; Friedman, E.; Turcati, A.; Song, M.; Jones, B. J. P.; Philippen, S.; De Clercq, C.; Meighen-Berger, S.; Yoshida, S.; Wolf, M.; Schmidt, T.; Toscano, S.; Gonzalez, J. G.; Dembinski, H.; Kittler, T.; Díaz-Vélez, J. C.; Wallraff, M.; Schieler, H.; Koskinen, D. J.; Classen, L.; Zöcklein, M.; Finley, C.; Arnquist, I. J.; Wills, L.; Beatty, J. J.; Franckowiak, A.; Vraeghe, M.; Woschnagg, K.; Baxter, D.; Jeong, M.; Mitra, P.; Felde, J.; Kowalski, Marek; Wood, J.; Eberhardt, B.; Spiczak, G. M.; Tönnis, C.; Piro, M.-C.; Bay, R.; Relethford, B.; Dunkman, M.; Barbano, A.; Girard, F.; Pérez de los Heros, C.; Goldschmidt, A.; Moulai, M.; Kopper, S.; Kheirandish, A.; Hallgren, A.; Tosi, D.; Mancina, S.; Blaufuss, E.; Henningsen, F.; Stürwald, T.; Usner, M.; Stanev, T.; Böser, S.; Larson, M. J.; Günder, M.; Heix, P.; DeYoung, T.; Ansseau, I.; Walck, C.; Bindig, D.; Hoffman, K. D.; Moore, C.; van Eijk, D.; Helbing, K.; Ortega, A.; Mariş, I. C.; Kauer, M.; Park, N.; Weldert, J.; Plum, M.; Vázquez-Jáuregui, E.; Noble, A. J.; Peiffer, P.; Dujmovic, H.; Besson, D. Z.; Kulacz, N.; Maggi, G.; Ishihara, A.; Seckel, D.; Weindl, A.; Watson, T. B.; Krückl, G.; Wille, L.

Preprint/Report

PUBDB-2020-00331

Velocity Independent Constraints on Spin-Dependent DM-Nucleon Interactions from IceCube and PICO

Aartsen, M. G. ; Ackermann, M.DESY* ; Adams, J. ; Aguilar, J. A. ; Ahlers, M. ; Ahrens, M. ; Alispach, C. ; Andeen, K. ; Anderson, T. ; Ansseau, I. ; Anton, G. ; Argüelles, C. ; Auffenberg, J. ; Axani, S. ; Backes, P. ; Bagherpour, H. ; Bai, X. ; Balagopal, A. ; Barbano, A. ; Barwick, S. W. ; Bastian, B. ; Baum, V. ; Baur, S. ; Bay, R. ; Beatty, J. J. ; Becker, K.-H. ; Becker Tjus, J. ; BenZvi, S. ; Berley, D. ; Bernardini, E.Extern* ; Besson, D. Z. ; Binder, G. ; Bindig, D. ; Blaufuss, E. ; Blot, S.DESY* ; Bohm, C. ; Börner, M. ; Böser, S. ; Botner, O. ; Böttcher, J. ; Bourbeau, E. ; Bourbeau, J. ; Bradascio, F.DESY* ; Braun, J. ; Bron, S. ; Brostean-Kaiser, J.DESY* ; Burgman, A. ; Buscher, J. ; Busse, R. S. ; Carver, T. ; Chen, C. ; Cheung, E. ; Chirkin, D. ; Choi, S. ; Classen, L. ; Coleman, A. ; Collin, G. H. ; Conrad, J. M. ; Coppin, P. ; Correa, P. ; Cowen, D. F. ; Cross, R. ; Dave, P. ; De Clercq, C. ; DeLaunay, J. J. ; Dembinski, H. ; Deoskar, K. ; De Ridder, S. ; Desiati, P. ; de Vries, K. D. ; de Wasseige, G. ; de With, M. ; DeYoung, T. ; Diaz, A. ; Díaz-Vélez, J. C. ; Dujmovic, H. ; Dunkman, M. ; Dvorak, E. ; Eberhardt, B. ; Ehrhardt, T. ; Eller, P. ; Engel, R. ; Evenson, P. A. ; Fahey, S. ; Fazely, A. R. ; Felde, J. ; Filimonov, K. ; Finley, C. ; Franckowiak, A.DESY* ; Friedman, E. ; Fritz, A. ; Gaisser, T. K. ; Gallagher, J. ; Ganster, E. ; Garrappa, S.DESY* ; Gerhardt, L. ; Ghorbani, K. ; Glauch, T. ; Glüsenkamp, T. ; Goldschmidt, A. ; Gonzalez, J. G. ; Grant, D. ; Griffith, Z. ; Griswold, S. ; Günder, M. ; Gündüz, M. ; Haack, C. ; Hallgren, A. ; Halve, L. ; Halzen, F. ; Hanson, K. ; Haungs, A. ; Hebecker, D. ; Heereman, D. ; Heix, P. ; Helbing, K. ; Hellauer, R. ; Henningsen, F. ; Hickford, S. ; Hignight, J. ; Hill, G. C. ; Hoffman, K. D. ; Hoffmann, R. ; Hoinka, T. ; Hokanson-Fasig, B. ; Hoshina, K. ; Huang, F. ; Huber, M. ; Huber, T. ; Hultqvist, K. ; Hünnefeld, M. ; Hussain, R. ; In, S. ; Iovine, N. ; Ishihara, A. ; Japaridze, G. S. ; Jeong, M. ; Jero, K. ; Jones, B. J. P. ; Jonske, F. ; Joppe, R. ; Kang, D. ; Kang, W. ; Kappes, A. ; Kappesser, D. ; Karg, T.DESY* ; Karl, M. ; Katz, U. ; Kauer, M. ; Kelley, J. L. ; Kheirandish, A. ; Kim, J. ; Kintscher, T.Extern* ; Kiryluk, J. ; Kittler, T. ; Klein, S. R. ; Koirala, R. ; Kolanoski, H. ; Köpke, L. ; Kopper, C. ; Kopper, S. ; Koskinen, D. J. ; Kowalski, M.DESY* ; Krings, K. ; Krückl, G. ; Kulacz, N. ; Kurahashi, N. ; Kyriacou, A. ; Labare, M. ; Lanfranchi, J. L. ; Larson, M. J. ; Lauber, F. ; Lazar, J. P. ; Leonard, K. ; Leszczynska, A. ; Leuermann, M. ; Liu, Q. R. ; Lohfink, E. ; Lozano Mariscal, C. J. ; Lu, L. ; Lucarelli, F. ; Lünemann, J. ; Luszczak, W. ; Lyu, Y. ; Ma, W. Y. ; Madsen, J. ; Maggi, G. ; Mahn, K. B. M. ; Makino, Y. ; Mallik, P. ; Mallot, K. ; Mancina, S. ; Mariş, I. C. ; Maruyama, R. ; Mase, K. ; Maunu, R. ; McNally, F. ; Meagher, K. ; Medici, M. ; Medina, A. ; Meier, M. ; Meighen-Berger, S. ; Menne, T. ; Merino, G. ; Meures, T. ; Micallef, J. ; Momenté, G. ; Montaruli, T. ; Moore, R. W. ; Morse, R. ; Moulai, M. ; Muth, P. ; Nagai, R. ; Naumann, U. ; Neer, G. ; Niederhausen, H. ; Nowicki, S. C. ; Nygren, D. R. ; Obertacke Pollmann, A. ; Oehler, M. ; Olivas, A. ; O'Murchadha, A. ; O'Sullivan, E. ; Palczewski, T. ; Pandya, H. ; Pankova, D. V. ; Park, N. ; Peiffer, P. ; Pérez de los Heros, C. ; Philippen, S. ; Pieloth, D. ; Pinat, E. ; Pizzuto, A. ; Plum, M. ; Porcelli, A. ; Price, P. B. ; Przybylski, G. T. ; Raab, C. ; Raissi, A. ; Rameez, M. (Corresponding author) ; Rauch, L. ; Rawlins, K. ; Rea, I. C. ; Reimann, R. ; Relethford, B. ; Renschler, M. ; Renzi, G. ; Resconi, E. ; Rhode, W. ; Richman, M. ; Robertson, S. ; Rongen, M. ; Rott, C. ; Ruhe, T. ; Ryckbosch, D. ; Rysewyk, D. ; Safa, I. ; Sanchez Herrera, S. E. ; Sandrock, A. ; Sandroos, J. ; Santander, M. ; Sarkar, S. ; Sarkar, S. ; Satalecka, K.DESY* ; Schaufel, M. ; Schieler, H. ; Schlunder, P. ; Schmidt, T. ; Schneider, A. ; Schneider, J. ; Schröder, F. G. ; Schumacher, L. ; Sclafani, S. ; Seckel, D. ; Seunarine, S. ; Shefali, S. ; Silva, M. ; Snihur, R. ; Soedingrekso, J. ; Soldin, D. ; Song, M. ; Spiczak, G. M. ; Spiering, C.Extern* ; Stachurska, J.DESY* ; Stamatikos, M. ; Stanev, T. ; Stein, R.DESY* ; Steinmüller, P. ; Stettner, J. ; Steuer, A. ; Stezelberger, T. ; Stokstad, R. G. ; Stößl, A. ; Strotjohann, N. L. ; Stürwald, T. ; Stuttard, T. ; Sullivan, G. W. ; Taboada, I. ; Tenholt, F. ; Ter-Antonyan, S. ; Terliuk, A. ; Tilav, S. ; Tomankova, L. ; Tönnis, C. ; Toscano, S. ; Tosi, D. ; Trettin, A.Extern*DESY* ; Tselengidou, M. ; Tung, C. F. ; Turcati, A. ; Turcotte, R. ; Turley, C. F. ; Ty, B. ; Unger, E. ; Unland Elorrieta, M. A. ; Usner, M. ; Vandenbroucke, J. ; Van Driessche, W. ; van Eijk, D. ; van Eijndhoven, N. ; Vanheule, S. ; van Santen, J.DESY* ; Vraeghe, M. ; Walck, C. ; Wallace, A. ; Wallraff, M. ; Wandkowsky, N. ; Watson, T. B. ; Weaver, C. ; Weindl, A. ; Weiss, M. J. ; Weldert, J. ; Wendt, C. ; Werthebach, J. ; Whelan, B. J. ; Whitehorn, N. ; Wiebe, K. ; Wiebusch, C. H. ; Wille, L. ; Williams, D. R. ; Wills, L. ; Wolf, M. ; Wood, J. ; Wood, T. R. ; Woschnagg, K. ; Wrede, G. ; Xu, D. L. ; Xu, X. W. ; Xu, Y. ; Yanez, J. P. ; Yodh, G. ; Yoshida, S. ; Yuan, T. ; Zöcklein, M. ; Amole, C. ; Ardid, M. ; Arnquist, I. J. ; Asner, D. M. ; Baxter, D. ; Behnke, E. ; Bressler, M. ; Broerman, B. ; Cao, G. ; Chen, C. J. ; Chowdhury, U. ; Clark, K. ; Collar, J. I. ; Cooper, P. S. ; Crisler, M. ; Crowder, G. ; Cruz-Venegas, N. A. ; Dahl, C. E. ; Das, M. ; Fallows, S. ; Farine, J. ; Felis, I. ; Filgas, R. ; Girard, F. ; Giroux, G. ; Hall, J. ; Hardy, C. ; Harris, O. ; Hoppe, E. W. ; Jin, M. ; Klopfenstein, L. ; Krauss, C. B. ; Laurin, M. ; Lawson, I. ; Leblanc, A. ; Levine, I. ; Lippincott, W. H. ; Mamedov, F. ; Maurya, D. ; Mitra, P. ; Moore, C. ; Nania, T. ; Neilson, R. ; Noble, A. J. ; Oedekerk, P. ; Ortega, A. ; Piro, M.-C. ; Plante, A. ; Podviyanuk, R. ; Priya, S. ; Robinson, A. E. ; Sahoo, S. ; Scallon, O. ; Seth, S. ; Sonnenschein, A. ; Starinski, N. ; Štekl, I. ; Sullivan, T. ; Tardif, F. ; Vázquez-Jáuregui, E. ; Walkowski, N. ; Wichoski, U. ; Yan, Y. ; Zacek, V. ; Zhang, J. ; IceCube Collaboration (Collaboration Author) ; PICO Collaboration (Collaboration Author)

2019

[10.3204/PUBDB-2020-00331]

This record in other databases:

Please use a persistent id in citations: doi:10.3204/PUBDB-2020-00331

Report No.: arXiv:1907.12509

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. (2015) to exploit the complementarity between the two approaches and derive conservative constraints on DM-nucleon scattering. Our results constrain $\sigma_{\mathrm{SD}} \lesssim 10^{-39} \mathrm{cm}^2$ ($10^{-38} \mathrm{cm}^2$) at $\gtrsim 90\%$ C.L. for a DM particle of mass 1~TeV annihilating into $\tau^+ \tau^-$ ($b\bar{b}$) with a local density of $\rho_{\mathrm{DM}} = 0.3~\mathrm{ GeV/cm}^3$. The constraints scale inversely with $\rho_{\mathrm{DM}}$ and are independent of the DM velocity distribution.

Note:

Contributing Institute(s):