[論文レビュー] The dark matter: DAMA/LIBRA and its perspectives

R. Bernabei, P. Belli+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文はDAMA/LIBRA–phase2実験の更新結果を提示し、11.8σの信頼水準で1–6 keVエネルギー範囲における1回ヒットのサイレントレーションイベントにモデルに依存しない年間周期的変動信号を確認した。累積的露出量は22回の年間サイクルにわたって2.86トン×年であった。この信号は、銀河ハロー内のダークマター粒子と整合的であり、その完全なシグナルを模倣できる既知の系統的要因は存在しない。

ABSTRACT

Experimental observations and theoretical arguments point out that Dark Matter (DM) particles are one of the most prominent component of the Universe. This motivated the pioneer DAMA experiment to investigate the presence of these particles in the galactic halo, by exploiting the model independent signature of the DM annual modulation of the rate and very highly radio-pure apparatus in underground site. In this paper the results obtained by other two annual cycles of DAMA/LIBRA-phase2 are presented and the long-standing model-independent annual modulation effect measured by DAMA deep underground at the Gran Sasso National Laboratory (LNGS) of the I.N.F.N. with different experimental configurations is summarized. The improved experimental configuration of DAMA/LIBRA-phase2, $\simeq$ 250 kg highly radio-pure NaI(Tl), allowed to lower the software energy threshold. The total exposure of DAMA/LIBRA-phase2 over 8 annual cycles is 1.53 ton $ imes$ yr. DAMA/LIBRA-phase2 confirms the evidence of a signal that meets all the requirements of the model independent Dark Matter annual modulation signature, at 11.8 $σ$ C.L. in the energy region (1-6) keV. In the energy region between 2 and 6 keV, where data are also available from DAMA/NaI and DAMA/LIBRA-phase1 (2.86 ton $ imes$ yr), the achieved C.L. is 13.7 $σ$; the modulation amplitude of the single-hit scintillation events is: $(0.01014 \pm 0.00074)$ cpd/kg/keV, the measured phase is $(142.4 \pm 4.2)$ days and the measured period is $(0.99834 \pm 0.00067)$ yr, all these values are well in agreement with those expected for DM particles. No systematics or side reaction able to mimic the exploited DM signature (i.e. to account for the whole measured modulation amplitude and to simultaneously satisfy all the requirements of the signature), has been found or suggested by anyone throughout some decades thus far.

研究の動機と目的

• モデルに依存しない年間周期的変動シグナルを通じて、銀河ハロー内にダークマター粒子が存在することを確認すること。
• ソフトウェアエネルギー閾値の低下と低エネルギー領域における露出量の増加により感度を向上させること。
• 年間周期的変動シグナルを模倣する可能性がある系統的要因や副反応を除外すること。
• 複数の実験設定および長期間にわたるデータ取得期間において、信号の頑健性を検証すること。
• 向上したエネルギー分解能と統計的精度を通じて、さまざまなダークマター候補および理論的モデルの区別を可能にすること。

提案手法

• グランサッソ国立研究所（LNGS）の地下施設に設置された250 kgの高純度ラジオ純度NaI(Tl)検出器アレイを用いる。
• 2次世代の高量子効率ハマムツ・R6233MODフォトマルチプライヤーとアップグレードされた電子回路を採用し、信号収集を向上させるとともにバックグラウンドを低減する。
• 最新のデータではソフトウェアエネルギー閾値を0.75 keVに設定しており、1 keV未満にさらに低下させるためのハードウェアアップグレードを継続中である。
• 単一ヒットのサイレントレーションイベントを分析することで、ダークマター相互作用が無視できる多重ヒットイベントとは区別し、年間周期的変動シグナルを抽出する。
• 変動の振幅、位相、周期の統計的分析を実施し、期待されるダークマターのシグナルと整合性があるかを検証する。
• DAMA/NaI、DAMA/LIBRA–phase1、DAMA/LIBRA–phase2のデータを統合し、累積露出量2.86トン×年を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回ヒットのサイレントレーションイベントにおける年間周期的変動シグナルが、22回の独立した年間サイクルにわたって位相と周期が一貫しているか？
• RQ2 （2–6）keV領域で観測された変動振幅は、既知の系統的要因やバックグラウンド過程で説明可能か？
• RQ3 変動シグナルが低エネルギーイベント（1–6 keV）に限定され、高エネルギー領域や多重ヒットイベントには存在しないのは、ダークマターの予想される性質と整合的か？
• RQ4 DAMA実験の全フェーズのデータを統合した場合、変動シグナルの統計的有意水準はどの程度か？
• RQ5 自然な周期的現象（例えば、バックグラウンドや検出器応答の季節変動）とこのシグナルを区別できるか？

主な発見

• DAMA/LIBRA–phase2実験は、1–6 keVエネルギー範囲で累積露出量1.53トン×年にて、モデルに依存しない年間周期的変動シグナルを11.8σの信頼水準で確認した。
• DAMA/NaIおよびDAMA/LIBRA–phase1のデータと統合した結果、総露出量は2.86トン×年となり、（2–6）keV領域における変動の有意水準は13.7σの信頼水準に達した。
• （2–6）keV範囲における単一ヒットイベントの測定された変動振幅は（0.01014 ± 0.00074）cpd/kg/keVであった。
• 変動の測定位相は（142.4 ± 4.2）日であり、予想されるピーク日（6月2日、152.5日）と整合的であった。
• 測定された周期は（0.99834 ± 0.00067）年であり、ダークマターに期待される1年周期の変動と非常に良好に一致していた。
• これまでに、長年にわたる観測期間中に、変動シグナルの全振幅と必要なすべての特徴を同時に模倣できる既知の系統的要因や副反応は同定されていない。