[論文レビュー] First Leptophobic Dark Matter Search from Coherent CAPTAIN-Mills

A. A. Aguilar-Arevalo, Daniele S. M. Alves+49 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、120個のフォトマルチプライヤーと17.9×10^20個のプロトン・オン・ターゲットを用いたエンジニアリングラン中の液体アルゴン検出器CAPTAIN-Mills（CCM）を用いて、初のレプトフィールド的ダークマター探索を報告する。限られたデータと汚染されたアルゴンの状況にもかかわらず、実験は以前に未探索であったパラメータ領域に感度を示し、バリオン的ベクトルポータルモデルにおけるダークマター質量が9 MeVから50 MeVの間で90%信頼水準（C.L.）で除外された。メディエーター質量とダークマター質量比は2.1である。

ABSTRACT

We report the first results of a search for leptophobic dark matter (DM) from the Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) liquid argon (LAr) detector. An engineering run with 120 photomultiplier tubes (PMTs) and $17.9 imes 10^{20}$ protons-on-target (POT) was performed in Fall 2019 to study the characteristics of the CCM detector. The operation of this 10-ton detector was strictly light-based with a threshold of 50 keV and used coherent elastic scattering off argon nuclei to detect DM. Despite only 1.5 months of accumulated luminosity, contaminated LAr, and non-optimized shielding, CCM's first engineering run already achieved sensitivity to previously unexplored parameter space of light dark matter (LDM) models with a baryonic vector portal. With an expected background of 115,005 events, we observe 115,005+16.5 events which is compatible with background expectations. For a benchmark mediator-to-dark matter mass ratio of $m_{_{V_B}}/m_χ=2.1$, DM masses within the range $9\, ext{MeV} \lesssim m_χ\lesssim 50\, ext{MeV}$ have been excluded at 90% C.L. in the leptophobic model after applying the Feldman-Cousins test statistic. CCM's upgraded run with 200 PMTs, filtered LAr, improved shielding, and ten times more POT will be able to exclude the remaining thermal relic density parameter space of this model, as well as probe new parameter space of other leptophobic DM models.

研究の動機と目的

• CCM検出器を用いて、液体アルゴン内でのダークマターの coherent 弹性散乱を通じて、レプトフィールド的ダークマターを探索すること。
• バリオン的ベクトルポータルを持つ軽量ダークマターモデルの、これまで未探索であったパラメータ空間を調べること。
• 限られたデータと最適化されていないシールドを用いた低コストなエンジニアリングランの感度を示すこと。
• 将来のアップグレードによる熱的リリック密度のターゲットにまで感度を拡張する基盤を築くこと。
• 固定標的において、陽子ビームによって誘発されるレアパイオン崩壊をダークマターの源として使用することの妥当性を検証すること。

提案手法

• 10トンの液体アルゴン検出器内での⁴⁰Ar核に対するダークマターの coherent 弾性散乱を用いた。
• 50 keVのエネルギー閾値を持つ核反発による発光光を、120個のフォトマルチプライヤーで検出した。
• ビームのタイムアウトウィンドウを用いてバックグラウンド推定を行い、CE$ν$NSからの期待信号をモデル化した。
• Feldman-Cousins検定統計量を用いて、90%信頼水準の除外限界を計算した。
• パラメータ空間$m_{V_B} = [0.3-134]$ MeVおよび$m_\chi = [0.1-67]$ MeVの範囲でスキャンを行い、バリオン的結合定数$\alpha_B$の限界を導出した。
• 統計的処理として、以前のMiniBooNE解析と整合性のある頻度主義的手法を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストなエンジニアリングランの液体アルゴン検出器は、レプトフィールド的ダークマターモデルに感度を持つことができるか？
• RQ2 1.5か月分のデータと汚染されたアルゴンを用いて、バリオン的ベクトルポータルを持つ軽量ダークマターのどのパラメータ領域を除外できるか？
• RQ3 CCMの感度は、同様の質量範囲における以前の実験（MiniBooNE や NA62）と比べてどの程度か？
• RQ4 フィルタードアルゴンやより良いシールドといった検出器の改善によって、将来の実験の到達範囲はどの程度拡張できるか？
• RQ5 電子や光子と結合しないダークマターも、液体アルゴン内での coherent 散乱で検出可能か？

主な発見

• CCM120は、$m_{V_B}/m_\chi = 2.1$であるベンチマークレプトフィールド的モデルにおいて、ダークマター質量9 MeV〜50 MeVの間で90% C.L.の除外を達成した。
• 実験は、MiniBooNE や NA62 が得た以前の制約を上回り、特に$2\;\text{MeV} \lesssim m_\chi \lesssim 29\;\text{MeV}$の範囲で除外領域を拡大した。
• 現在の除外限界は、$m_\chi \gtrsim 9\;\text{MeV}$で熱的リリック密度ターゲットをカバーしており、これは以前に未探索であった。
• 観測されたデータ（115,005イベント）は、バックグラウンド予想値（115,005 +16.5イベント）と整合しており、顕著な過剰は認められなかった。
• 200個のPMT、フィルタードアルゴン、改善されたシールドを備えたアップグレード版CCM200の感度予測では、残りの熱的リリック密度パラメータ領域を除外できる可能性がある。
• 汚染されたアルゴンによる減衰長が約50 cmであり、1.5か月分のデータという制限にもかかわらず、実験は競争力のある感度を達成した。