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.; 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.; Schlunder, P.; 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.; Strotjohann, Nora Linn; Mase, K.; Pinat, E.; Blot, S.; Stamatikos, M.; Balagopal, A., V.; Aguilar, J. A.; Bagherpour, H.; Dahl, C. E.; Terliuk, Andrii; 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.; 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.; Rysewyk, D.; Steinmüller, P.; Bernardini, E.; IceCube Collaboration; Reimann, R.; Hokanson-Fasig, B.; Carver, T.; Wrede, G.; Huber, Thomas; Przybylski, G. T.; Sanchez Herrera, S. E.; Mallik, P.; Rauch, Franz Ludwig; 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.; 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.; 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.; Usner, Marcel; 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.; 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.

doi:10.1140/epjc/s10052-020-8069-5

Journal Article

PUBDB-2020-03981

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.Extern*DESY* ; 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.DESY* ; 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.DESY* ; 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.DESY* ; 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. ; Rauch, F. L.DESY* ; 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.DESY* ; 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.DESY* ; Stürwald, T. ; Stuttard, T. ; Sullivan, G. W. ; Taboada, I. ; Tenholt, F. ; Ter-Antonyan, S. ; Terliuk, A.DESY* ; 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.DESY* ; 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)DESY* ; PICO Collaboration (Collaboration author)

2020
Springer Heidelberg

The European physical journal / C 80(9), 819 (2020) [10.1140/epjc/s10052-020-8069-5]

This record in other databases:

Please use a persistent id in citations: doi:10.1140/epjc/s10052-020-8069-5 doi:10.3204/PUBDB-2020-03981

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.

Classification:

ddc:530

Contributing Institute(s):

Neutrinoteleskop (ZEU-ICE)

Research Program(s):

613 - Matter and Radiation from the Universe (POF3-613) (POF3-613)

Experiment(s):

IceCube South Pole Neutrino Observatory

Appears in the scientific report 2020

Database coverage:
Medline

;

;

;

;

; Clarivate Analytics Master Journal List ; Current Contents - Physical, Chemical and Earth Sciences ; DOAJ Seal ; Ebsco Academic Search ; Essential Science Indicators ; IF < 5 ; JCR ; Nationallizenz