[논문 리뷰] First Leptophobic Dark Matter Search from Coherent CAPTAIN-Mills

A. A. Aguilar-Arevalo, Daniele S. M. Alves외 49명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 29.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 120개의 광전자 배율관과 17.9×10^20개의 프로톤-타겟을 사용한 엔지니어링 런 중 액체 헬륨 검출기인 CAPTAIN-Mills(CCM)에서 코herent 탄성 산란을 이용한 렙토포비아( leptophobic ) 어둠침재의 첫 번째 탐색을 제시한다. 제한된 데이터와 오염된 아르곤에도 불구하고, 이 실험은 이전에 탐색되지 않은 매개변수 공간에 대한 민감도를 확보하였으며, 매개체-어둠침재 질량 비율이 2.1인 바리온성 벡터 포털 모델에서 어둠침재 질량 9 MeV에서 50 MeV 사이에 대해 90% 신뢰수준에서 배제하였다.

ABSTRACT

We report the first results of a search for leptophobic dark matter (DM) from the Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) liquid argon (LAr) detector. An engineering run with 120 photomultiplier tubes (PMTs) and $17.9 imes 10^{20}$ protons-on-target (POT) was performed in Fall 2019 to study the characteristics of the CCM detector. The operation of this 10-ton detector was strictly light-based with a threshold of 50 keV and used coherent elastic scattering off argon nuclei to detect DM. Despite only 1.5 months of accumulated luminosity, contaminated LAr, and non-optimized shielding, CCM's first engineering run already achieved sensitivity to previously unexplored parameter space of light dark matter (LDM) models with a baryonic vector portal. With an expected background of 115,005 events, we observe 115,005+16.5 events which is compatible with background expectations. For a benchmark mediator-to-dark matter mass ratio of $m_{_{V_B}}/m_χ=2.1$, DM masses within the range $9\, ext{MeV} \lesssim m_χ\lesssim 50\, ext{MeV}$ have been excluded at 90% C.L. in the leptophobic model after applying the Feldman-Cousins test statistic. CCM's upgraded run with 200 PMTs, filtered LAr, improved shielding, and ten times more POT will be able to exclude the remaining thermal relic density parameter space of this model, as well as probe new parameter space of other leptophobic DM models.

연구 동기 및 목표

• CCM 검출기를 사용하여 액체 헬륨에서 어둠침재의 코herent 탄성 산란을 통해 렙토포비아 어둠침재를 탐색하기 위해.
• 바리온성 벡터 포털을 가진 경량 어둠침재 모델에 대해 이전에 탐색되지 않은 매개변수 공간을 조사하기 위해.
• 제한된 데이터와 최적화되지 않은 차폐를 가진 저비용 엔지니어링 런의 민감도를 입증하기 위해.
• 향후 업그레이드를 통해 열역학적 잔여 밀도 목표에 도달할 수 있도록 기반을 마련하기 위해.
• 고정-타겟 실험에서 프로톤 비임의 희귀 파이온 붕괴를 어둠침재의 원천으로 사용하는 것이 타당한지 검증하기 위해.

제안 방법

• 10톤의 액체 헬륨 검출기에서 ⁴⁰Ar 핵과의 어둠침재의 코herent 탄성 산란을 이용하였다.
• 50 keV 에너지 임계값을 가진 핵 반발로 인한 형광 빛을 감지하기 위해 120개의 광전자 배율관을 사용하였다.
• 비정상적인 비트 타임 윈도우를 사용하여 배경 추정을 수행하여 CE$ν$NS의 기대 신호를 모델링하였다.
• 90% 신뢰수준 배제 한계를 계산하기 위해 Feldman-Cousins 검정 통계량을 적용하였다.
• 매개체 질량 $m_{V_B} = [0.3-134]$ MeV 및 어둠침재 질량 $m_\chi = [0.1-67]$ MeV 범위에서 $m_{V_B}$–$m_\chi$ 매개변수 공간을 스캔하여 바리온성 결합 강도 $\alpha_B$의 한계를 유도하였다.
• 통계 처리에 있어 이전의 MiniBooNE 분석과 일관된 잦은 접근법을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 엔지니어링 런으로 수행된 액체 헬륨 검출기의 민감도가 렙토포비아 어둠침재 모델을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 오염된 아르곤과 1.5개월 간의 데이터만으로 경량 어둠침재 모델의 바리온성 벡터 포털에 대해 어떤 매개변수 공간을 배제할 수 있는가?
• RQ3 CCM의 민감도는 동일한 질량 범위에서 이전의 실험들인 MiniBooNE와 NA62와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ4 필터링된 아르곤과 향상된 차폐와 같은 검출기 개선 사항이 향후 실험의 탐색 범위를 얼마나 확장할 수 있는가?
• RQ5 코herent 산란을 통한 액체 헬륨 검출기는 전자나 광자와 결합하지 않는 어둠침재를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• CCM120는 매개체 질량 대 어둠침재 질량 비율이 2.1인 벤치마크 렙토포비아 모델에서 어둠침재 질량 9 MeV에서 50 MeV 사이에 대해 90% 신뢰수준에서 배제하였다.
• 실험은 MiniBooNE와 NA62의 이전 제약 조건을 초월하여 특히 $2\;\text{MeV} \lesssim m_\chi \lesssim 29\;\text{MeV}$ 범위에서 더 넓은 매개변수 공간을 배제하였다.
• 이제 배제 한계는 이전에 탐색되지 않은 $m_\chi \gtrsim 9\;\text{MeV}$에서 열역학적 잔여 밀도 목표까지 커버하고 있다.
• 관측된 데이터(115,005건)는 배경 기대치(115,005 +16.5건)와 일치하여 유의미한 초과가 없음을 보였다.
• 200개의 광전자 배율관, 필터링된 아르곤, 향상된 차폐를 갖춘 향상된 CCM200 런의 민감도 예측은 나머지 열역학적 잔여 밀도 매개변수 공간을 배제할 가능성을 보였다.
• 오염된 아르곤로 인한 감쇠 길이 약 50 cm와 1.5개월 간의 제한된 데이터에도 불구하고, 실험은 경쟁 가능한 민감도를 확보하였다.