[論文レビュー] Sensitivity to sub-GeV dark matter in forthcoming spallation-source neutrino experiments

D. Aristizabal Sierra, V. De Romeri+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2026

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 0

ひとこと要約

本論文は、ESS, J-PARC, CSNS のスパレーション中性子源での将来の CEνNS 検出器が、中性子-π0 崩壊を介してベクトルポータルを介したサブ-GeV スカラー暗黒物質をどのように探索できるかを評価し、GEANT4 と Sanford-Wang の π0 生産アプローチを比較する。

ABSTRACT

Sub-GeV thermal dark matter weakly interacting with the Standard Model through vector-portal mediators provides a well-motivated and predictive framework that remains challenging to probe with conventional direct detection experiments. Motivated by the rapid development of neutrino facilities based on spallation neutron sources, we study the sensitivity of future coherent elastic neutrino-nucleus scattering experiments to light dark matter produced in neutral pion decays. We consider scalar dark matter interactions mediated by two different vector portals, a generic dark photon and a baryophilic vector mediator. The neutral pion yield is calculated through a GEANT4 simulation and the results are compared with those obtained with the Sandford-Wang parametrization. We show that predictions based on either approach do not produce significant differences. Our results demonstrate that upcoming low-threshold neutrino detectors at the European Spallation Source (ESS), the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) and the China Spallation Neutron Source (CSNS) may test regions in parameter space not yet explored, or be competitive with existing bounds. We point out that these facilities will strengthen the global experimental program searching for secluded sectors.

研究の動機と目的

• 従来の直接検出にとって挑戦的なターゲットであるサブ-GeV 暗黒物質を動機づけ、スパレーション中性子源 CEνNS 実験を補完的な探査として位置づける。
• 2つのベクトルポータル DM シナリオ（汎用暗黒光子と baryophilic U(1)B）と、それらの upcoming CEνNS 検出器での検出可能性を探る。
• GEANT4 シミュレーションと Sanford–Wang 函数化を用いて中性子-π0 生産とその結果生じる DM フラックスを定量化し、アプローチを検証する。
• ESS、J-PARC、CSNS で実現可能な現実的な検出器仮定の下、暗黒光子媒介子を介したスカラー DM の感度を予測する。

提案手法

• 暗黒光子 A′ を介した π0 崩壊からの DM 生産をモデル化し、運動学混合 ε と DM カップリング gD を導入する。
• Y ≡ ε^2 αD (mφ/mA′)^4 としてリリーク密度目標を表現し、CMB 制約のための p 波消滅の影響を分析する。
• GEANT4 シミュレーションからの π0 フラックスを Sanford–Wang の解析パラメトリゼーションと比較し、Tπ0 と cosθπ0 の π0 PDFs を得る。
• π0 の運動学から DM のエネルギー・角分布を構築し、それを DM–核散乱横断で折り込み、CEνNS 的な反跳イベントを予測する。
• ESS（例として 2 GeV ビーム）、J-PARC、CSNS の検出器配置を、Ge、Xe、CsI などの中〜大規模ターゲットと背景を考慮して評価する。

Figure 1: Left graph : Two-dimensional normalized neutral pion PDF in the $T_{\pi^{0}}-\cos\theta_{\pi^{0}}$ plane derived from the $\pi^{0}$ four momentum sample obtained through a GEANT4 simulation. The sample accounts for about $3\times 10^{5}$ pion events and applies for the ESS forecasted exper

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 π0 崩壊で生じるサブ-GeV スカラー DM が、今後のスパレーション源 CEνNS 的核反跳として検出可能か。
• RQ2 DM フラックス推定における GEANT4 ベースの π0 生産予測と Sanford–Wang パラメトリゼーションの比較は、どの程度この文脈で一致するか。
• RQ3 将来のスパレーション源 CEνNS 実験が検証できるベクトルポータル DM パラメータ空間（汎用 A′ および baryophilic A′）の領域は、リリーク密度目標と比較してどこまで拡張されるか。
• RQ4 ESS、J-PARC、CSNS の検出器選択とビームエネルギーが、サブ-GeV DM の予測感度にどの程度影響するか。
• RQ5 CMB などの宇宙論的制約は、p 波 annihilation を伴う実現可能な DM シナリオを解釈する際にどのような役割を果たすか。

主な発見

• ESS、J-PARC、CSNS の低閾値 CEνNS 検出器は、まだ十分に探索されていないサブ-GeV DM パラメータ空間の新しい領域を検出できる可能性がある。
• GEANT4 π0 フラックスと Sanford–Wang パラメトリゼーションに基づく予測は、二次的効果の影響による小さな差異はあるものの、定性的に一貈の結果を示す。
• 中性子-π0 崩壊はビーム沿いに前方にピークを持つため、ビーム軸方向での検出器の受け取りが向上する。
• 2つのベクトルポータル・ベンチマーク（汎用暗黒光子と baryophilic） は、シールドされた部門に関連する広いクラスの軽い DM シナリオをカバーする。
• 解析フレームワークは、π0 生産、暗黒光子媒介 DM 生産、および DM–核散乱を CEνNS 的信号へ結び付け、計画されている検出器での検出可能性を示す。

Figure 2: Left panel : One-dimensional, normalized $\pi^{0}$ kinetic-energy PDFs obtained from the GEANT4 simulation and from the Sanford–Wang analytical parametrization. Right panel : Same comparison, but for the $\cos\theta_{\pi^{0}}$ distribution. In both cases, visible differences arise from sub