[論文レビュー] First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment

XENON Collaboration, E. Aprile+164 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

XENONnT は液体キセノン 5.9 tを用いた核反跳 WIMP 検出を行い、1.09 t·y の露出を達成し、28 GeV/c^2 でスピン不動の WIMP-核子散乱断面の 2.58×10^-47 cm^2 の 90% CL 上限を報告し、顕著な過剰は検出されなかった。

ABSTRACT

We report on the first search for nuclear recoils from dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) with the XENONnT experiment which is based on a two-phase time projection chamber with a sensitive liquid xenon mass of $5.9$ t. During the approximately 1.1 tonne-year exposure used for this search, the intrinsic $^{85}$Kr and $^{222}$Rn concentrations in the liquid target were reduced to unprecedentedly low levels, giving an electronic recoil background rate of $(15.8\pm1.3)~\mathrm{events}/(\mathrm{t\cdot y \cdot keV})$ in the region of interest. A blind analysis of nuclear recoil events with energies between $3.3$ keV and $60.5$ keV finds no significant excess. This leads to a minimum upper limit on the spin-independent WIMP-nucleon cross section of $2.58 imes 10^{-47}~\mathrm{cm}^2$ for a WIMP mass of $28~\mathrm{GeV}/c^2$ at $90\%$ confidence level. Limits for spin-dependent interactions are also provided. Both the limit and the sensitivity for the full range of WIMP masses analyzed here improve on previous results obtained with the XENON1T experiment for the same exposure.

研究の動機と目的

• 背景抑制を向上させた大型の二相 LXe TPC を用いて WIMP の直接検出探索を動機づける。
• WIMP 由来の核反跳に対する感度を高めるため、電子反跳背景を前例のない低さに抑える。
• NR/ER 応答を較正し、中性子拒否効率を定量化して、WIMP 信号を堅牢に制約する。
• 幅広い WIMP 質量に対してスピン不変およびスピン依存の WIMP-核子散乱断面の更新された上限を提供する。

提案手法

• 相互作用からの S1 および S2 信号を検出するため、感度 LXe 質量 5.9 t の二相時分解検出器を使用する。
• Kr-85 および Rn-222 抑制を伴う低バックグラウンド領域で運用し、30 keV 未満で ER 背景を 15.8 ± 1.3 events/(t·y·keV) に抑える。
• AmBe 中性子源および Pb-212 と Ar-37 の源で NR/ER 応答を較正し、背景を Markov-Chain Monte Carlo フィットでモデル化する。
• cS1 および cS2 で定義される NR ROI でブラインド分析を適用し、約 53% の効率で中性子をタグ付けする中性子拒否 (NV) を使用する。
• NR/ER 模型と検出器効率を組み込んだ尤度法により WIMP 検出結果を抽出する。

Figure 1: NR and ER calibration data from \isotope [241]AmBe (orange), \isotope [220]Rn (blue) and \isotope [37]Ar (black). The median and the $\pm 2\text{\,}\sigma$ contours of the NR and ER model are shown in blue and red respectively. The gray dash-dotted contour lines show the reconstructed NR e

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SR0 の露出と背景条件を考慮した場合、スピン不変 WIMP-核子散乱断面の結果上限はいくつになるか。
• RQ2 同じ露出に対して XENONnT NR 検出性能（効率、背景、エネルギー範囲）は XENON1T とどう比較されるか。
• RQ3 NR/ER 応答の較正は何か、そしてそれらが潜在的な WIMP 信号の解釈にどう影響するか。
• RQ4 NV タギング効率と ER 背景が質量にわたる WIMP 検出感度に与える影響は何か。
• RQ5 このデータセットから導かれるスピン依存の WIMP-核子相互作用の制限は何か。

主な発見

• ROI で核反跳の顕著な過剰は観測されなかった。
• 分析は 28 GeV/c^2 WIMP に対して 90% CL でスピン不変 WIMP-核子散乱断面の最小上限を 2.58×10^-47 cm^2 と与える。
• スピン依存相互作用については制限が提供されている（具体的な値は本文抜粋には記載されていない）。
• SR0 露出は場歪み補正後の忠実な LXe 質量 4.18 ± 0.13 t を含む 1.09 ± 0.03 t·y に対応。
• ROI で得られた電子反跳背景は 15.8 ± 1.3 events/(t·y·keV) で、同じ露出で XENON1T より感度を改善。
• 探索の NR エネルギー範囲は 3.3 keV_NR から 60.5 keV_NR、cS1 は [0, 100] PE、cS2 は [126, 12589] PE。

Figure 2: Detection and selection efficiency for NR events in this search as a function of the NR recoil energy. The total efficiency in the WIMP search region (black) is dominated by the detection efficiency (green) at low energies and event selections (blue) at higher energies until the edge of th