[논문 리뷰] First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment

XENON Collaboration, E. Aprile외 164명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 26.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

XENONnT는 액체 제논 5.9t를 사용한 핵 반동 WIMP 탐색을 수행하여 1.09 t·y의 노출을 달성하고 28 GeV/c^2에서 스핀 비의존 WIMP-핵 간의 상한으로 2.58×10^-47 cm^2의 90% CL를 보고하며, 유의미한 과도함은 탐지되지 않았다.

ABSTRACT

We report on the first search for nuclear recoils from dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) with the XENONnT experiment which is based on a two-phase time projection chamber with a sensitive liquid xenon mass of $5.9$ t. During the approximately 1.1 tonne-year exposure used for this search, the intrinsic $^{85}$Kr and $^{222}$Rn concentrations in the liquid target were reduced to unprecedentedly low levels, giving an electronic recoil background rate of $(15.8\pm1.3)~\mathrm{events}/(\mathrm{t\cdot y \cdot keV})$ in the region of interest. A blind analysis of nuclear recoil events with energies between $3.3$ keV and $60.5$ keV finds no significant excess. This leads to a minimum upper limit on the spin-independent WIMP-nucleon cross section of $2.58 imes 10^{-47}~\mathrm{cm}^2$ for a WIMP mass of $28~\mathrm{GeV}/c^2$ at $90\%$ confidence level. Limits for spin-dependent interactions are also provided. Both the limit and the sensitivity for the full range of WIMP masses analyzed here improve on previous results obtained with the XENON1T experiment for the same exposure.

연구 동기 및 목표

• 향상된 배경 억제로 더 큰 두상 LXe TPC를 사용하여 WIMP의 직접 탐지를 촉진한다.
• WIMP로부터의 핵 반동에 대한 민감도를 높이기 위해 전자 반동 배경을 전례 없이 낮추는 것을 달성한다.
• NR/ER 응답을 보정하고 중성자 배제 효율을 정량화하여 WIMP 신호를 견고하게 제약한다.
• 다양한 WIMP 질량 범위에 대해 스핀 비의존 및 스핀 의존 WIMP-핵 상한을 업데이트하여 제공한다.

제안 방법

• 상호작용으로부터 S1 및 S2 신호를 검출하기 위해 5.9 t의 민감 LXe 질량을 가진 2상 시간 투사 챔버를 사용한다.
• Kr-85 및 Rn-222 억제로 저배경 상태에서 작동하여 30 keV 이하에서 ER 배경을 15.8 ± 1.3 events/(t·y·keV)으로 달성한다.
• NR/ER 응답을 보정하고 배경을 Markov-Chain Monte Carlo 적합으로 모델링한다.
• cS1 및 cS2로 정의된 NR ROI에서 블라인드 분석을 적용하고 중성자 배제(NV)를 사용하여 약 53%의 효율로 중성자를 태그한다.
• NR/ER 모델과 탐지기 효율을 포함하는 우도 접근법으로 WIMP 탐색 결과를 추출한다.

Figure 1: NR and ER calibration data from \isotope [241]AmBe (orange), \isotope [220]Rn (blue) and \isotope [37]Ar (black). The median and the $\pm 2\text{\,}\sigma$ contours of the NR and ER model are shown in blue and red respectively. The gray dash-dotted contour lines show the reconstructed NR e

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SR0 노출 및 배경 조건에서 얻어진 스핀 비의존 WIMP-핵 상한선은 얼마인가?
• RQ2 동일 노출에서 XENONnT NR 탐색 성능(효율, 배경, 에너지 범위)이 XENON1T와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 NR/ER 응답 보정은 무엇이며 그것이 잠재적 WIMP 신호 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NV 태깅 효율 및 ER 배경이 질량 전반에 걸친 WIMP 민감도에 어떤 함의를 가지는가?
• RQ5 이 데이터세트에서 도출된 스핀 의존 WIMP-핵 상한은 무엇인가?

주요 결과

• ROI에서 핵 반동의 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 분석 결과 28 GeV/c^2 WIMP에 대해 90% CL로 스핀 비의존 WIMP-핵 교차면의 최소 상한은 2.58×10^-47 cm^2이다.
• 스핀 의존 상한도 제시되며(본문에 구체 수치는 명시되지 않음).
• SR0 노출은 필드 왜곡 보정 후 사실상 4.18 ± 0.13 t의 추정 LXe 질량으로 1.09 ± 0.03 t·y에 대응한다.
• ROI에서 달성된 전자 반동 배경은 15.8 ± 1.3 events/(t·y·keV)로 동일 노출에서 XENON1T보다 개선된 민감도를 가능하게 한다.
• 탐색의 NR 에너지 범위는 3.3 keV_NR에서 60.5 keV_NR이며, cS1은 [0, 100] PE, cS2는 [126, 12589] PE이다.

Figure 2: Detection and selection efficiency for NR events in this search as a function of the NR recoil energy. The total efficiency in the WIMP search region (black) is dominated by the detection efficiency (green) at low energies and event selections (blue) at higher energies until the edge of th