[論文レビュー] Potential for an argon directional dark matter detector

M. Cadeddu, M. Lissia+39 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、大規模な2相液体アルゴン検出器を用いて、ダークマターの運動量方向性を用いて検出する手法を提案する。わずか100イベントで、等方性を3σの有意水準で排除でき、200 GeVのWIMP質量、100トン・年露光時間の条件下でスピン非依存のWIMP-核子断面積感度が約10⁻⁴⁶ cm²に達する。

ABSTRACT

We examine the sensitivity of a large scale two-phase liquid argon detector to the directionality of the dark matter signal. This study was performed under the assumption that, above 50 keV of recoil energy, one can determine (with some resolution) the direction of the recoil nucleus without head-tail discrimination, as suggested by past studies that proposed to exploit the dependence of columnar recombination on the angle between the recoil nucleus direction and the electric field. In this paper we study the differential interaction recoil rate as a function of the recoil direction angle with respect to the zenith for a detector located at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso and we determine its diurnal and seasonal modulation. Using a likelihood-ratio based approach we show that, with the angular information alone, 100 events are enough to reject the isotropic hypothesis at three standard deviation level. For an exposure of 100 tonne years this would correspond to a spin independent WIMP-nucleon cross section of about 10^-46 cm^2 at 200 GeV WIMP mass. The results presented in this paper provide strong motivation for the experimental determination of directional recoil effects in two-phase liquid argon detectors.

研究の動機と目的

• 2相液体アルゴン検出器がダークマター相互作用に起因する核反発の方向性を測定できる可能性を評価すること。
• 天頂方向に対する方向に応じた、自転および公転に起因する反発率の日の内および季節的変動を評価すること。
• 角情報のみで、等方的背景からの方向性ダークマター信号を区別できるかどうかを特定すること。
• 尤度に基づく解析を用いて、スピン非依存のWIMP-核子散乱に対するこのような検出器の感度を定量化すること。
• 理論的感度推定を通じて、液体アルゴンにおける方向性反発効果の実験的検証を促すこと。

提案手法

• 2相液体アルゴン検出器における電界方向と核反発核の方向との間の角度関数としての微分反発率をモデル化すること。
• 地球の自転および公転に起因する、Gran Sasso国立研究所での予想される反発率の変動をシミュレーションすること。
• 角分布データを用いて、等方的仮説と方向性信号仮説を比較するための尤度比検定を適用すること。
• 50 keV以上の反発エネルギーにおいて、検出可能な反発イベント数とその角分解能に基づき感度を推定すること。
• 100トン・年露光時間をベンチマークとして、最小検出可能なスピン非依存のWIMP-核子断面積を予測すること。
• ヘッド・テイルの区別ができない条件下でも、柱状再結合効果を活用して反発方向を推定できることを仮定し、角分解能が達成可能であるとみなすこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体アルゴン検出器における核反発の角情報は、ダークマター信号の等方性を排除するのに十分な感度を提供できるか？
• RQ2 地球が銀河ダークマター雲を通過する方向運動に起因して、反発率に予想される日の内および季節的変動は何か？
• RQ3 方向性検出の有意水準3σを達成するには、何件の反発イベントが必要か？
• RQ4 100トン・年露光時間の条件でのスピン非依存のWIMP-核子断面積感度はどの程度か？
• RQ5 ヘッド・テイルの区別ができない条件下でも、2相液体アルゴン検出器における方向性反発効果はどの程度活用可能か？

主な発見

• わずか100件の検出可能な反発イベントで、方向性信号は等方的仮説を3σの信頼水準で排除できる。
• Gran Sassoの検出器は、ダークマター雲内を地球が移動する方向性運動に起因して、反発率に測定可能な日の内および季節的変動を示す。
• 100トン・年露光時間の条件下では、200 GeVのWIMP質量でスピン非依存のWIMP-核子断面積感度が約10⁻⁴⁶ cm²に達する。
• 解析の結果、ヘッド・テイルの区別がなくても、角情報のみで強い方向性ダークマター信号の証拠を提供できることが示された。
• 結果は、2相液体アルゴン検出器における方向性反発効果の実験的追求が、ダークマター検出を強化するために強く支持される。