[論文レビュー] Projected sensitivities of the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment to new physics via low-energy electron recoils

DS Akerib, A. K. Al Musalhi+191 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、5.6トン・年という露光量と100 keV未満のエネルギー領域における超低バックグラウンドを活用して、LUX-ZEPLIN（LZ）実験の新しい物理現象に対する感度を低エネルギー電子反動を通じて予測している。この研究では、ニュートリノ磁気モーメント、ミリチャージドニュートリノ、アクシオン、隠れた光子、ミラー暗黒物質、レプチロフィル的暗黒物質を含む信号に対して、世界で最も高い感度を示している。

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) is a dark matter detector expected to obtain world-leading sensitivity to weakly interacting massive particles (WIMPs) interacting via nuclear recoils with a ~7-tonne xenon target mass. This manuscript presents sensitivity projections to several low-energy signals of the complementary electron recoil signal type: 1) an effective neutrino magnetic moment and 2) an effective neutrino millicharge, both for pp-chain solar neutrinos, 3) an axion flux generated by the Sun, 4) axion-like particles forming the galactic dark matter, 5) hidden photons, 6) mirror dark matter, and 7) leptophilic dark matter. World-leading sensitivities are expected in each case, a result of the large 5.6t 1000d exposure and low expected rate of electron recoil backgrounds in the <100keV energy regime. A consistent signal generation, background model and profile-likelihood analysis framework is used throughout.

研究の動機と目的

• 低エネルギー電子反動によって媒介される新しい物理現象の信号に対するLUX-ZEPLIN（LZ）実験の感度を予測すること。
• 標準模型を超えるまれな、弱い相互作用を示す粒子を電子反動相互作用を通じて検出するという課題に取り組むこと。
• 一貫した解析フレームワークを用いて、広範な新しい物理現象のシナリオに対して世界をリードする感度限界を確立すること。
• 100 keV未満のエネルギー窓におけるLZの大きな露光量と低い電子反動バックグラウンドの影響を評価すること。

提案手法

• 7トンのキセノン標的に基づく5.6トン・年の露光量を活用し、まれな信号に対する感度を向上させること。
• すべての新しい物理現象のシナリオにわたって、信号生成、バックグラウンドモデル化、プロファイル尤度解析フレームワークを一貫して実装すること。
• ppチェーン太陽ニュートリノ、アクシオンフラックス、アクシオン様粒子、隠れた光子、ミラー暗黒物質、レプチロフィル的暗黒物質からの電子反動信号の感度を予測すること。
• 電子反動バックグラウンドが最小限に抑えられる100 keV未満のエネルギー領域に焦点を当て、信号の検出可能性を向上させること。
• 多様な新しい物理モデル間での感度限界を比較するために、統一された解析アプローチを適用すること。
• 各新しい物理候補者に対して理論的モデルを用い、LZ検出器内での予想イベントレートを計算すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LZは、電子反動相互作用を通じて有効ニュートリノ磁気モーメントに対してどの程度の感度を示すと予想されるか？
• RQ2 ppチェーン太陽ニュートリノの文脈において、有効ミリチャージドニュートリノの存在に対してLZはどの程度感度を持つのか？
• RQ3 LZは、太陽から発生するアクシオンが電子反動プロセスを通じて検出可能か？
• RQ4 銀河的暗黒物質を構成するアクシオン様粒子に対するLZの電子反動信号を通じた限界は何か？
• RQ5 隠れた光子およびミラー暗黒物質に対する低エネルギー電子反動を通じた感度はどの程度か？

主な発見

• LZは、電子反動領域における大きな露光量と低いバックグラウンドレベルのおかげで、有効ニュートリノ磁気モーメントに対して世界をリードする感度を達成する。
• 100 keV未満の低電子反動バックグラウンドが実現されていることから、ニュートリノミリチャージに対する感度は、これまでで最も厳密なものになると予想される。
• 太陽からのアクシオンフラックスに対して、これまでの限界を上回る、画期的な感度で探査可能になると予想される。
• 銀河的暗黒物質を構成するアクシオン様粒子に対する電子反動検出を通じて、これまでで最も厳しい制約をLZが設定する見込みである。
• 隠れた光子およびミラー暗黒物質に対する感度は、既存の限界と同等またはそれを上回る見込みである。
• LZのエネルギー窓における電子反動信号の優位性のおかげで、レプチロフィル的暗黒物質モデルは、強化された感度で探査可能になると予想される。