[논문 리뷰] Exotic dark matter search with the Majorana Demonstrator

I. J. Arnquist, F. T. Avignone외 57명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고순도 게르마늄 검출기 어레이인 Majorana Demonstrator에서 확보한 저에너지 데이터를 이용해 이국적인 어둠의 물질에 대한 새로운 실험적 한계를 제시한다. 1–100 keV 범위 내 희귀 에너지 피크를 프로파일-가능도 방법으로 분석함으로써, 게르마늄에서 편소자 및 벡터 보손 어둠의 물질에 대해 현재까지 가장 민감한 제약 조건을 설정하였다. 그 결과, 17.28 keV에서 $ g_{ae} < 1.425 \times 10^{-13} $ 이며, 2.29 keV에서 $ \alpha' / \alpha < 2.414 \times 10^{-30} $의 상한선을 확보하였으며, 크기는 크지 않지만 Xe 기반 실험보다 더 높은 감도를 확보하였다.

ABSTRACT

With excellent energy resolution and ultra-low level radiogenic backgrounds, the high-purity germanium detectors in the Majorana Demonstrator enable searches for several classes of exotic dark matter (DM) models. In this work, we report new experimental limits on keV-scale sterile neutrino DM via the transition magnetic moment from conversion to active neutrinos, $ν_s ightarrow ν_a$. We report new limits on fermionic dark matter absorption ($χ+ A ightarrow ν+ A$) and sub-GeV DM-nucleus 3$ ightarrow$2 scattering ($χ+ χ+ A ightarrow ϕ+ A$), and new exclusion limits for bosonic dark matter (axionlike particles and dark photons). These searches utilize the (1--100)-keV low energy region of a 37.5-kg y exposure collected by the Demonstrator between May 2016 and November 2019, using a set of $^{76}$Ge-enriched detectors whose surface exposure time was carefully controlled, resulting in extremely low levels of cosmogenic activation.

연구 동기 및 목표

• 고순도 게르마늄 검출기에서의 희귀 비탄성 산란 사건을 통해 1GeV 이하 어둠의 물질을 탐색하기 위해.
• Majorana Demonstrator의 저에너지 데이터를 이용해 편소자(악시온-유사) 및 벡터(어둠의 포톤) 보손 어둠의 물질에 대한 새로운 실험적 한계를 설정하기 위해.
• 에너지 임계값을 낮추고 표면 노출 시간을 제어함으로써 keV 스케일 에너지 영역에서 감도를 향상시키기 위해.
• keV 스케일의 비활성 중성자소 어둠의 물질이 XENON1T 초과 신호를 설명할 수 있는지 테스트하기 위해, 그 필요 조건인 전이 자기모멘트가 너무 낮다는 것을 발견함.

제안 방법

• 1–100 keV 범위 내 희귀 에너지 피크에서의 카운트 수 상한선을 설정하기 위해 90% 신뢰수준의 프로파일-가능도 방법을 사용함.
• 분석은 1GeV 이하 어둠의 물질을 포함한 비탄성 페르미온 어둠의 물질 흡수(χ + A → ν + A) 및 3 → 2 산란 과정에 집중함.
• 편소자 어둠의 물질의 경우, 관측된 사건 빈도와 검출기 노출 시간을 바탕으로 결합 상수 $ g_{ae} $ 를 제약함.
• 벡터 어둠의 물질(어둠의 포톤)의 경우, 유량과 단면적 곱의 곱으로부터 $ \kappa^2 = \alpha' / \alpha $ 를 유도하였으며, 공식 $ \Phi_{DM} \sigma_{ve} = \frac{4 \times 10^{23}}{m_\chi} \left( \frac{\alpha'}{\alpha} \right) \frac{\sigma_{pe}(m_\chi)}{A} $ 를 사용함.
• 이전 분석 대비 에너지 임계값을 5배 낮춤으로써 저에너지 영역에서 감도를 향상시킴.
• 배경 기여를 최소화하고 통계적 감도를 향상시키기 위해 표면 노출 시간을 철저히 제어함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Majorana Demonstrator는 keV 에너지 범위에서 악시온-전자 결합을 통해 1GeV 이하의 편소자 어둠의 물질을 감지할 수 있는가?
• RQ2 게르마늄 검출기에서 벡터 보손 어둠의 물질(어둠의 포톤)에 대해 가장 날카로운 실험적 한계는 무엇인가?
• RQ3 keV 스케일의 비활성 중성자소 어둠의 물질이 어둠의 물질이라면, XENON1T 초과 신호를 설명할 수 있는 전이 자기모멘트는 충분한가?
• RQ4 이 게르마늄 기반 실험의 한계는 대규모 Xe 기반 실험과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 비탄성 페르미온 어둠의 물질 흡수(χ + A → ν + A)는 1GeV 이하 스케일에서 배제되거나 제약을 받을 수 있는가?

주요 결과

• Majorana Demonstrator는 17.28 keV에서 $ g_{ae} < 1.425 \times 10^{-13} $의 편소자 악시온-전자 결합 상수 상한선을 설정하였으며, 이는 어떤 게르마늄 실험보다도 날카로운 제약 조건이다.
• 가장 낮은 에너지 지점에서 2.64 keV에서 $ g_{ae} < 1.542 \times 10^{-13} $의 상한선을 확보하였으며, 이는 저에너지 영역에서의 감도 향상을 입증한다.
• 벡터 보손 어둠의 물질에 대해 2.29 keV에서 $ \alpha' / \alpha < 2.414 \times 10^{-30} $의 최고 상한선을 설정하였으며, 이는 게르마늄 기반 탐색 중 현재까지 가장 민감한 결과이다.
• 분석 결과, XENON1T 초과 신호를 설명할 수 있는 전이 자기모멘트를 가진 keV 스케일의 비활성 중성자소 어둠의 물질이 관측 신호의 원인일 가능성은 배제됨.
• 이 실험은 크기가 더 큰 Xe 기반 실험들이 여전히 더 날카로운 한계를 확보하고 있음을 확인하였으며, 이는 Majorana Demonstrator의 에너지 임계값 향상 및 노출 제어에도 불구하고 그렇다.
• 결과는 향후 10톤년 노출량을 가진 톤 스케일의 $ \beta\beta(0\nu) $ 실험, 예를 들어 LEGEND가 이러한 한계를 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다.