[論文レビュー] Exotic dark matter search with the Majorana Demonstrator

I. J. Arnquist, F. T. Avignone+57 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高純度ゲルマニウム検出器アレイであるMajorana Demonstratorから得られた低エネルギーデータを用いて、未知のダークマターに対する新たな実験的限界を提示する。1–100 keVの範囲におけるまれなエネルギーピークをプロファイル尤度法で分析することで、ゲルマニウムにおける擬スカラーおよびベクトルボソン的ダークマターに対して、これまでで最も感受性の高い制限を設定した。17.28 keVにおいて $ g_{ae} < 1.425 \times 10^{-13} $ および2.29 keVにおいて $ \alpha' / \alpha < 2.414 \times 10^{-30} $ の上限を得たが、キセノン実験に比べて有効質量が小さいにもかかわらず、それ以前のGeベースの限界を上回った。

ABSTRACT

With excellent energy resolution and ultra-low level radiogenic backgrounds, the high-purity germanium detectors in the Majorana Demonstrator enable searches for several classes of exotic dark matter (DM) models. In this work, we report new experimental limits on keV-scale sterile neutrino DM via the transition magnetic moment from conversion to active neutrinos, $ν_s ightarrow ν_a$. We report new limits on fermionic dark matter absorption ($χ+ A ightarrow ν+ A$) and sub-GeV DM-nucleus 3$ ightarrow$2 scattering ($χ+ χ+ A ightarrow ϕ+ A$), and new exclusion limits for bosonic dark matter (axionlike particles and dark photons). These searches utilize the (1--100)-keV low energy region of a 37.5-kg y exposure collected by the Demonstrator between May 2016 and November 2019, using a set of $^{76}$Ge-enriched detectors whose surface exposure time was carefully controlled, resulting in extremely low levels of cosmogenic activation.

研究の動機と目的

• 高純度ゲルマニウム検出器におけるまれな非弾性散乱事象を通じて、1 GeV未塔のダークマターを探索すること。
• Majorana Demonstratorからの低エネルギーデータを用いて、擬スカラー（axion-like）およびベクトル（ダークフォトン）的ボソン的ダークマターに対する新たな実験的限界を設定すること。
• エネルギー閾値を低下させ、表面露出時間を制御することで、keVスケールエネルギー領域における感度を向上させること。
• keVスケールの不活性ニュートリノ的ダークマターがXENON1Tの過剰信号を説明できるかどうかを検証し、そのために必要な遷移磁気モーメントが小さすぎることが判明した。

提案手法

• 90%信頼水準におけるプロファイル尤度法を用いて、1–100 keV範囲のまれなエネルギーピークからのカウント数の上限を設定した。
• 分析は、1 GeV未塔のダークマターを伴う非弾性フェルミオン的ダークマター吸収（χ + A → ν + A）および3 → 2散乱過程に焦点を当てた。
• 擬スカラー的ダークマターの場合、観測されたイベントレートと検出器露出量を用いて、結合定数 $ g_{ae} $ が制限された。
• ベクトル的ダークマター（ダークフォトン）の場合、フラックスと断面積の積から、$ \kappa^2 = \alpha' / \alpha $ が導出された。その式は $ \Phi_{DM} \sigma_{ve} = \frac{4 \times 10^{23}}{m_\chi} \left( \frac{\alpha'}{\alpha} \right) \frac{\sigma_{pe}(m_\chi)}{A} $ であった。
• エネルギー閾値は、以前の解析と比較して5倍低下させられ、低エネルギー領域における感度が向上した。
• 表面露出時間を厳密に制御することで、バックグラウンド寄与を最小限に抑え、統計的感度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Majorana Demonstratorは、keVスケールのエネルギー領域におけるaxion-electron結合を通じて、1 GeV未塔の擬スカラー的ダークマターを検出可能だろうか？
• RQ2 ゲルマニウム検出器におけるベクトル的ボソン的ダークマター（ダークフォトン）に対する最も厳しい実験的限界は何か？
• RQ3 keVスケールの不活性ニュートリノ的ダークマターがXENON1Tの過剰信号を説明できると仮定した場合、活性と不活性ニュートリノ間の遷移磁気モーメントは十分か？
• RQ4 このゲルマニウムベースの実験の限界は、大規模なキセノン実験のものと比べてどうか？
• RQ5 非弾性フェルミオン的ダークマター吸収（χ + A → ν + A）は、1 GeV未塔スケールで除外または制限可能だろうか？

主な発見

• Majorana Demonstratorは、17.28 keVにおける擬スカラー的axion-electron結合定数の新たな上限 $ g_{ae} < 1.425 \times 10^{-13} $ を設定し、いかなるゲルマニウム実験でも最も厳しい制限となった。
• 最低エネルギー点では、2.64 keVで $ g_{ae} < 1.542 \times 10^{-13} $ の限界が得られ、低エネルギー領域における感度向上が裏付けられた。
• ベクトル的ボソン的ダークマターに対して、2.29 keVにおける最良の上限 $ \alpha' / \alpha < 2.414 \times 10^{-30} $ を確立し、ゲルマニウムベースの探索においてこれまでで最も感受性の高い結果となった。
• 分析により、XENON1Tの過剰信号を説明できるだけの遷移磁気モーメントを持つkeVスケールの不活性ニュートリノ的ダークマターが原因である可能性は排除された。
• キセノンベースの実験は、有効質量が大きいことから、Majorana Demonstratorのエネルギー閾値の低下と露出時間の制御にもかかわらず、依然としてより厳しい限界を達成していることが確認された。
• 本研究の結果は、将来の10トン年露出量を想定した1トンスケールの $ \beta\beta(0\nu) $ 実験（LEGENDなど）が、これらの限界を著しく改善できる可能性を示している。