[論文レビュー] Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T

E. Aprile, J. Aalbers+137 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 78

ひとこと要約

XENON1Tは、7 keV未満の電子反動事象の過剰を観測し、太陽のアクシンに対して3.5σの有意性を示し、ニュートリノの磁気モーメントに対しては3.2σの好ましさを示している。データはまた、2.3 keVにおける単エネルギーのダークマターピークを3.0σのグローバル有意性で支持しており、1–210 keV/c²の間でスカラーパラメータおよびベクトルボソン的ダークマターに対して、これまでで最も厳しい制約を設定している。

ABSTRACT

We report results from searches for new physics with low-energy electronic recoil data recorded with the XENON1T detector, with an exposure of 0.65 t-y and an unprecedentedly low background rate of $76 \pm 2_{stat}$ events/(t y keV) between 1-30 keV. An excess over known backgrounds is observed below 7 keV, rising towards lower energies and prominent between 2-3 keV. The solar axion model has a 3.5$\sigma$ significance, and a three-dimensional 90% confidence surface is reported for axion couplings to electrons, photons, and nucleons. This surface is inscribed in the cuboid defined by $g_{ae} < 3.7 imes 10^{-12}$, $g_{ae}g_{an}^{eff} < 4.6 imes 10^{-18}$, and $g_{ae}g_{a\gamma} < 7.6 imes10^{-22}~{GeV}^{-1}$, and excludes either $g_{ae}=0$ or $g_{ae}g_{a\gamma}=g_{ae}g_{an}^{eff}=0$. The neutrino magnetic moment signal is similarly favored over background at 3.2$\sigma$ and a confidence interval of $\mu_{ u} \in (1.4,~2.9) imes10^{-11}\mu_B$ (90% C.L.) is reported. Both results are in strong tension with stellar constraints. The excess can also be explained by $\beta$ decays of tritium at 3.2$\sigma$ significance with a corresponding tritium concentration in xenon of $(6.2 \pm 2.0) imes 10^{-25}$ mol/mol. Such a trace amount can be neither confirmed nor excluded with current knowledge of production and reduction mechanisms. The significances of the solar axion and neutrino magnetic moment hypotheses are decreased to 2.1$\sigma$ and 0.9$\sigma$, respectively, if an unconstrained tritium component is included in the fitting. With respect to bosonic dark matter, the excess favors a monoenergetic peak at ($2.3 \pm 0.2$) keV (68% C.L.) with a 3.0$\sigma$ global (4.0$\sigma$ local) significance over background. This analysis sets the most restrictive direct constraints to date on pseudoscalar and vector bosonic dark matter for most masses between 1 and 210 keV/c$^2$.

研究の動機と目的

• XENON1T実験の0.65 t-yの低エネルギー電子反動データから、新しい物理を探索すること。
• 既知のバックグラウンドを上回る7 keV未塔の事象過剰、特に2–3 keV範囲での原因を調査すること。
• アクシンが電子、光子、および核子と相互作用するカップリングを制約すること。また、ニュートリノの磁気モーメントおよびトリチウムの汚染の可能性についても検討すること。
• 特に2.3 keV付近に単エネルギーピークを示すボソン的ダークマター候補の妥当性を評価すること。
• 観測信号が星のエネルギー損失制約と整合するか、およびキセノン内でのトリチウム生成メカニズムと整合するかを評価すること。

提案手法

• 1–30 keV範囲で、バックグラウンドレートが76 ± 2 事象/(t·y·keV)である0.65 t-yのXENON1T検出器からの低エネルギー電子反動データの分析。
• 太陽のアクシン、ニュートリノの磁気モーメント、トリチウムβ崩壊、および単エネルギーのダークマター成分のモデルを用いて、観測されたエネルギースペクトルのフィッティング。
• アクシンカップリング $g_{ae}$, $g_{ae}g_{an}^{eff}$, および $g_{ae}g_{a\theta}$ の3次元90%信頼領域を、データによって制約した表面を構築。
• トリチウム濃度をフィッティングにおける自由パラメータとして取り入れ、その有意性および信頼区間への影響を評価。
• プロファイル尤度法を用いて、局所的およびグローバル有意性（68%および90%信頼区間を含む）を計算。
• 信号仮説を星のエネルギー損失制約と比較し、天体物理学的整合性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XENON1Tで観測された7 keV未満の電子反動事象の過剰、特に2–3 keV範囲での原因は何か？
• RQ2 この過剰は、太陽のアクシン、ニュートリノの磁気モーメント、またはトリチウムβ崩壊によってどの程度説明可能か？
• RQ3 このデータに基づく、アクシンが電子、光子、および核子と相互作用するカップリングに対する最も厳しい制約は何か？
• RQ4 この過剰は、約2.3 keVに単エネルギーピークを示すボソン的ダークマターの信号と解釈できるか？
• RQ5 星のエネルギー損失制約は、過剰の原因として提案された説明の妥当性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 2–3 keV範囲で3.5σの過剰が観測され、太陽のアクシンが最もよく説明する。90%信頼領域は、$g_{ae} < 3.7 \times 10^{-12}$, $g_{ae}g_{an}^{eff} < 4.6 \times 10^{-18}$, および $g_{ae}g_{a\theta} < 7.6 \times 10^{-22}~\text{GeV}^{-1}$ で定義される直方体に内接する。
• ニュートリノの磁気モーメント仮説はバックグラウンドよりも3.2σで好まれており、90%信頼区間は $\mu_{\nu} \in (1.4,~2.9) \times 10^{-11}\mu_B$ である。
• トリチウムβ崩壊は3.2σの有意性で過剰を説明でき、キセノン中のトリチウム濃度は $(6.2 \pm 2.0) \times 10^{-25}$ mol/mol に対応する。
• トリチウムを自由パラメータとして含めた場合、アクシン仮説の有意性は2.1σ、ニュートリノ磁気モーメント仮説は0.9σに低下する。
• 2.3 ± 0.2 keVに単エネルギーのダークマターピークが3.0σのグローバル有意性、4.0σの局所的有意性でバックグラウンドを上回る。
• 本分析により、1–210 keV/c²の質量範囲におけるスカラーパラメータおよびベクトルボソン的ダークマターに対する、これまでで最も厳しい直接的制約が得られた。