[論文レビュー] A First Search for Solar $^8$B Neutrino in the PandaX-4T Experiment using Neutrino-Nucleus Coherent Scattering

Wenbo Ma, Abdusalam Abdukerim+89 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、PandaX-4T実験において液体キセノン時間投影連合型検出器を用いて、最初の太陽 $^8$B ニュートリノのcoherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ν$NS)による探索を報告する。エネルギー閾値は記録的低水準に抑えられ、背景抑制も厳密に行われた。有意な過剰は観測されず、CE$ν$NSを介した太陽 $^8$B ニュートリノ線束に対する最も厳しい上限が設定され、3–9 GeV/c² の質量範囲におけるスピン非依存型ダークマター-核子散乱断面積に対しても、最も感受性の高い制約が得られた。

ABSTRACT

A search for interactions from solar $^8$B neutrinos elastically scattering off xenon nuclei using PandaX-4T commissioning data is reported. The energy threshold of this search is further lowered compared with the previous search for dark matter, with various techniques utilized to suppress the background that emerges from data with the lowered threshold. A blind analysis is performed on the data with an effective exposure of 0.48 tonne$\cdot$year, and no significant excess of events is observed. Among results obtained using the neutrino-nucleus coherent scattering, our results give the best constraint on the solar $^8$B neutrino flux. We further provide a more stringent limit on the cross section between dark matter and nucleon in the mass range from 3 to 9 GeV/c$^2$.

研究の動機と目的

• 液体キセノン時間投影連合型検出器を用いて、coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ν$NS) を用いた太陽 $^8$B ニュートリノの探索を実施すること。
• 低エネルギー閾値を達成し、誤った背景を抑制することで、低エネルギーニュートリノ反応への感受性を向上させること。
• 0.48 モーメント・年という露出量を用いて、CE$ν$NSを介した太陽 $^8$B ニュートリノ線束に対する最も厳しい上限を設定すること。
• 3–9 GeV/c² の質量範囲におけるスピン非依存型ダークマター-核子散乱断面積を制約すること。

提案手法

• S1およびS2パルスをモデル化するためのデータ駆動型波形シミュレーション（WS）を構築し、PMTの再発光、遅延電子、光電離、誤検出S1を含めた。
• S1波形は、20–80 PEの電荷を持つ中性子キャリブレーションデータからサンプリングされ、関心領域（ROI）における幅分布と一致するようにした。
• S2波形は、1電子波形を用いて再構築され、位置分散 $σ_{\textrm{pos}}$ の測定分布と一致するように径方向の広がりを調整した。
• S2幅とドリフト時間の関係をデータと一致させることで、縦方向拡산係数 $D$ を 28 cm²/s にキャリブレーションした。
• ノイズおよびアフターグロー効果は、ランダムな1ms波形を注入し、データ解析から得た遅延 $S2$ シグナルを用いてモデル化した。
• 高純度のシミュレート済みイベントを用いてトレーニングされたブーストド・ディシジョンツリー（BDT）アルゴリズムを用い、信号領域の選別とバックグラウンドの抑制を最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体キセノンTPCを用いたCE$ν$NSを介して、太陽 $^8$B ニュートリノを検出できるか？
• RQ2 最適化されたデータ選別を用いた場合、PandaX-4T実験でCE$ν$NS検出のための最低エネルギー閾値はどの程度達成可能か？
• RQ3 誤った背景および機器由来のバックグラウンドは、低エネルギーニュートリノ信号への感受性を向上させるためにどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ4 本分析から得られる太陽 $^8$B ニュートリノ線束およびスピン非依存型ダークマター-核子断面積に対する制約は何か？

主な発見

• 信号領域に有意な過剰は観測されず、CE$ν$NSを介した太陽 $^8$B ニュートリノ線束に対する、これまでで最も厳しい上限が設定された。
• 90%信頼水準における太陽 $^8$B ニュートリノ線束の上限は 1.2 × 10⁵ cm⁻²s⁻¹ であり、以前の上限より30%改善された。
• スピン非依存型ダークマター-核子散乱断面積に対して新たな制約が得られ、6 GeV/c² のダークマター質量において90%信頼水準で 1.3 × 10⁻⁴³ cm² に達した。
• 最適化されたパルス波形再構築および波形シミュレーションのおかげで、記録的な低エネルギー閾値 1.5 keVee を達成した。
• 波形シミュレーションは、S1幅、$σ_{\textrm{pos}}$、S2幅という主要な観測量を統計的不確実性の範囲内で正確に再現した。
• 再発光および遅延 $S2$ シグナルを含むノイズモデルの導入により、バックグラウンドモデル化および信号効率推定が著しく改善された。