[論文レビュー] New limits on bosonic dark matter, solar axions, Pauli Exclusion Principle violation, and electron decay from the low-energy spectrum of the MAJORANA DEMONSTRATOR

N. Abgrall, I. J. Arnquist+65 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、MAJORANA DEMONSTRATORから得られた478 kg·dのデータを用いて、keVスケールのボソン的ダークマター、太陽のアクシオン、およびレア電子過程に関する新たな制限を設定した。アクシオン-電子結合（g_Ae < 4.5 × 10⁻¹³、11.8 keVのアクシオンに対して）および電子崩壊（τ_e > 1.2 × 10²⁴ y）に関して、これまでで最も厳しい制限を確立した。また、パウリ排他原理の破れやベクトル的ダークマターの相互作用の探査も行った。

ABSTRACT

The existence of cosmic dark matter (DM) is well established but its exact nature has yet to be determined. Stringent limits on weakly interacting massive particle (WIMP) DM candidates motivate alternative models. We present results for searches of keV-scale pseudoscalar and vector dark matter using 478 kg d of commissioning data from the MAJORANA DEMONSTRATOR (MJD), a Ge-based neutrinoless double-beta decay experiment operating in the Sanford Underground Research Facility. We did not detect a positive dark matter signal, and a 90\\% upper confidence interval on the electron DM coupling was estimated. Our most stringent limit on DM coupling was set for axion-like particles of mass 11.8 keV with g$_{Ae} &lt;$ 4.5 $\ imes 10^{-13}$, and $\\frac{\\alpha'}{\\alpha} &lt; 9.7 \ imes 10^{-28}$ for vector DM. We also report limits from additional rare-event searches, including 14.4~keV solar axions and Pauli Exclusion Principle violating electron transitions. An upper limit of $g_{AN}^{eff} \ imes g_{Ae} &lt; 3.8 \ imes 10^{-17}$ was found for the solar axion coupling; a limit on the strength of a non-Paulian transition in Ge of $\\frac{1}{2}\\beta^2 &lt; 8.5\ imes10^{-48}$ was set, and a limit of $\ au_e &gt; 1.2 \ imes 10^{24}$ y for $e^- \ ightarrow \ u\\bar{\ u}\ u$ was found at the 90% confidence level.

研究の動機と目的

• MAJORANA DEMONSTRATORの低エネルギースペクトルを用いて、keVスケールの擬スカラーおよびベクトル的ダークマターを探索すること。
• 特に太陽のアクシオンを対象として、アクシオン様粒子の電子および核子への結合を制約すること。
• ゲルマニウムにおける禁制電子遷移の探索を通じて、パウリ排他原理の妥当性を検証すること。
• 標準模型を越える基本的対称性を探るため、電子がクォーク-反クォーク対に崩壊する過程に対する制限を設定すること。
• 低バックグラウンド環境下での高純度ゲルマニウム検出器を用いて、稀な過程への感度を向上させること。

提案手法

• サンドフォード地下研究施設で運用されている高純度ゲルマニウム検出器アレイであるMAJORANA DEMONSTRATORの、起動段階のデータ478 kg·dを活用した。
• ダークマターやレア粒子崩壊の兆候を示す一様エネルギーまたは狭帯域の信号を探索するため、低エネルギースペクトルを分析した。
• エネルギー閾値とバックグラウンド除去技術を適用して、電子反動事象からの潜在的信号を分離した。
• 尤度に基づく統計的手法を用い、結合定数および崩壊率の90%信頼水準における上側限界を設定した。
• データを有効結合強度の観点から解釈するため、アクシオン-電子およびアクシオン-核子結合の理論的モデルを組み込んだ。
• β²を含むパラメータ化された行列要素を用いて、パウリに許されない電子遷移をモデル化し、スペクトル形状とイベント率から制約を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAJORANA DEMONSTRATORにおいて、11.8 keVのアクシオン様粒子の電子への結合に対する上側限界は何か？
• RQ2 観測された低エネルギースペクトルを踏まえると、ベクトル的ダークマターの電子への結合はどの程度強くあり得るか？
• RQ3 太陽のアクシオンの核子および電子への有効結合に対する制限は何か？
• RQ4 ゲルマニウムにパウリ排他原理に反する電子遷移の証拠はあるか？ もしあるならば、遷移強度の上側限界は何か？
• RQ5 観測事象が存在しないことを踏まえると、e⁻ → uūu の過程における電子の寿命の下限は何か？

主な発見

• 11.8 keVのアクシオンに対して、アクシオン-電子結合に関するこれまでで最も厳しい制限が設定され、90%信頼水準で g_Ae < 4.5 × 10⁻¹³ となった。
• ベクトル的ダークマターの電子への結合に対して、α′/α < 9.7 × 10⁻²⁸ の制限が得られた。
• 太陽のアクシオンに関しては、有効結合の積 g_AN^eff × g_Ae < 3.8 × 10⁻¹⁷ が90%信頼水準で測定された。
• ゲルマニウムにおけるパウリに許されない電子遷移の強度は、(1/2)β² < 8.5 × 10⁻⁴⁸ に制限された。
• e⁻ → uūu の電子崩壊寿命は、90%信頼水準で1.2 × 10²⁴年より大きいことが判明した。
• すべてのレア事象探索において有意な信号は観測されず、結合定数および崩壊率の強固な上側限界が得られた。