[論文レビュー] Direct dark matter search by annual modulation in XMASS-I

XMASS Collaboration, K. Abe+40 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、359.2日間のライブデータと832 kgの露出量を用いて、単相液体キセノン検出器XMASS-Iにおける、初めての広範な年間周期性探索を報告する。8 GeV/c²でのウィルム・核子断面積に対して90%信頼水準の上限は4.3 × 10⁻⁴¹ cm²であり、ウィルムの質量が6〜16 GeV/c²の間である場合、DAMA/LIBRAで許容される領域のほとんどを除外する。また、1.1 keV eeのエネルギー閾値まで、電子・ガンマ線励起による周期性モデルに対してきびしい制約を与える。

ABSTRACT

A search for dark matter was conducted by looking for an annual modulation signal due to the Earth's rotation around the Sun using XMASS, a single phase liquid xenon detector. The data used for this analysis was 359.2 live days times 832 kg of exposure accumulated between November 2013 and March 2015. When we assume Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) dark matter elastically scattering on the target nuclei, the exclusion upper limit of the WIMP-nucleon cross section 4.3$ imes$10$^{-41}$cm$^2$ at 8 GeV/c$^2$ was obtained and we exclude almost all the DAMA/LIBRA allowed region in the 6 to 16 GeV/c$^2$ range at $\sim$10$^{-40}$cm$^2$. The result of a simple modulation analysis, without assuming any specific dark matter model but including electron/$γ$ events, showed a slight negative amplitude. The $p$-values obtained with two independent analyses are 0.014 and 0.068 for null hypothesis, respectively. we obtained 90\% C.L. upper bounds that can be used to test various models. This is the first extensive annual modulation search probing this region with an exposure comparable to DAMA/LIBRA.

研究の動機と目的

• XMASS-Iの単相液体キセノン検出器を用いて、ダークマター検出信号における年間周期性を探索すること。
• 核反跳ではなく、低エネルギーの電子およびガンマ線反跳を調べることで、DAMA/LIBRAの信号仮説を検証すること。
• 1.1 keV eeまでの広いエネルギー範囲にわたり、モデルに依存しない年間周期性の振幅に関する制約を提供すること。
• 高い露出量と低いエネルギー閾値を活用して、軽いウィルムや代替のダークマター候補に対する感度を向上させること。
• DAMA/LIBRAおよびXENON100の結果と比較し、電子散乱または軽いダークマター・モデルと整合するかを評価すること。

提案手法

• 2013年11月から2015年3月までに得られた359.2日間のライブデータと、832 kgの液体キセノン露出量を用いた。
• 1年周期を仮定し、位相を152.5日（6月上旬）に固定したモデルに依存しない周期性解析を、2つの独立した手法（「プル項」と共分散行列）で適用した。
• 次の式を用いてイベントレートをフィットした：$ R_{i,j}^{ ext{ex}} = \int_{t_j - \frac{1}{2}\Delta t_j}^{t_j + \frac{1}{2}\Delta t_j} \left( C_i + A_i \cos 2\pi \frac{(t - t_0)}{T} \right) dt $、ここで $ C_i $ は周期的でないレート、$ A_i $ は周期性の振幅である。
• 感度領域内のエネルギースペクトルが一様なガンマ線モンテカルロシミュレーションを用いて、エネルギー依存の効率を計算した。
• 正および負の周期性振幅の90%信頼水準の上限を、ゼロから上限までのガウス分布を統合することで算出した。
• ガンマ線キャリブレーションおよびシミュレーションから得られたエネルギー分解能（1.0 keV eeで36%、5.0 keV eeで19%）を用いて、分解能効果を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.1 keV eeの低いエネルギー閾値を持つ単相液体キセノン検出器XMASS-Iで、ダークマター由来の年間周期性信号を検出できるか？
• RQ2 XMASS-Iの結果が、DAMA/LIBRAで観測された周期性がウィルム-核子散乱に起因するものである可能性をどの程度排除できるか？
• RQ3 4 keV ee未満のエネルギー領域において、他の実験が感度を欠く中で、電子またはガンマ線励起による周期性信号に対する制約は何か？
• RQ4 エネルギーチャンネルごとの周期性振幅の上限について、XENON100およびDAMA/LIBRAと比較して、結果はどのように異なるか？
• RQ5 1.1–7.6 keV eeのエネルギー閾値において、モデルに依存しない解析が、正および負の周期性振幅を区別できるか？

主な発見

• モデルに依存しない解析では、4 keV ee未満でわずかに負の周期性振幅が観測され、2つの独立した手法を用いた帰無仮説のp値はそれぞれ0.014（2.5σ）および0.068（1.8σ）であった。
• 1.1–1.6 keV eeエネルギー領域における、正（負）の周期性振幅の90%信頼水準の上限は、$ 2.1 \times 10^{-2} $ 件/日/kg/keV eeであった。
• 2.0–6.0 keV eeの範囲では、振幅の上限が$ (1.7 - 3.7) \times 10^{-3} $ 件/日/kg/keV eeであり、XENON100の$ 3.7 \times 10^{-3} $ の上限よりもきびしい制約であった。
• ウィルム-核子散乱に対しては、8 GeV/c²での断面積の上限が$ 4.3 \times 10^{-41} \, \text{cm}^2$ であり、ウィルム質量が6〜16 GeV/c²の間のDAMA/LIBRAで許容される領域のほとんどを除外した。
• DAMA/LIBRAおよびXENON100よりも低いエネルギー閾値（1.1 keV ee）を達成したため、軽いダークマターおよび電子散乱モデルに対する感度が得られた。
• 2つの独立したフィッティング手法にわたって結果が安定しており、顕著な周期性がないことと整合しており、電子または光子反跳を伴う代替のダークマター・モデルに対して強い制約を与えた。