[논문 리뷰] New limits on bosonic dark matter, solar axions, Pauli Exclusion Principle violation, and electron decay from the low-energy spectrum of the MAJORANA DEMONSTRATOR

N. Abgrall, I. J. Arnquist외 65명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 02.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 MAJORANA DEMONSTRATOR에서 확보한 478 kg·d의 데이터를 활용해 keV 스케일의 보스론성 어둠료물질, 태양 축소자, 희귀 전자 과정에 대한 새로운 한계를 설정한다. 이는 11.8 keV 축소자에 대해 축소자-전자 결합 상수에 대한 가장 엄격한 제약 조건 g_Ae < 4.5 × 10⁻¹³을 설정하였고, 전자 붕괴에 대해서는 수명 τ_e > 1.2 × 10²⁴ y를 설정하였다. 또한 파울리 배타 원리 위반과 벡터 어둠료물질 상호작용을 탐색하였다.

ABSTRACT

The existence of cosmic dark matter (DM) is well established but its exact nature has yet to be determined. Stringent limits on weakly interacting massive particle (WIMP) DM candidates motivate alternative models. We present results for searches of keV-scale pseudoscalar and vector dark matter using 478 kg d of commissioning data from the MAJORANA DEMONSTRATOR (MJD), a Ge-based neutrinoless double-beta decay experiment operating in the Sanford Underground Research Facility. We did not detect a positive dark matter signal, and a 90\\% upper confidence interval on the electron DM coupling was estimated. Our most stringent limit on DM coupling was set for axion-like particles of mass 11.8 keV with g$_{Ae} &lt;$ 4.5 $\ imes 10^{-13}$, and $\\frac{\\alpha'}{\\alpha} &lt; 9.7 \ imes 10^{-28}$ for vector DM. We also report limits from additional rare-event searches, including 14.4~keV solar axions and Pauli Exclusion Principle violating electron transitions. An upper limit of $g_{AN}^{eff} \ imes g_{Ae} &lt; 3.8 \ imes 10^{-17}$ was found for the solar axion coupling; a limit on the strength of a non-Paulian transition in Ge of $\\frac{1}{2}\\beta^2 &lt; 8.5\ imes10^{-48}$ was set, and a limit of $\ au_e &gt; 1.2 \ imes 10^{24}$ y for $e^- \ ightarrow \ u\\bar{\ u}\ u$ was found at the 90% confidence level.

연구 동기 및 목표

• MAJORANA DEMONSTRATOR의 저에너지 스펙트럼을 이용해 keV 스케일의 허위스칼라 및 벡터 어둠료물질을 탐색하기 위해.
• 특히 태양 축소자를 위해 전자 및 핵자와의 결합 상수를 제약하기 위해.
• 게르마늄에서 금지된 전자 전이를 탐색함으로써 파울리 배타 원리의 타당성을 검증하기 위해.
• 표준모형을 초월한 기본 대칭성을 탐색하기 위해 전자 붕괴가 쿼크-반쿼크 쌍으로 일어나는 과정에 대한 한계를 설정하기 위해.
• 저배경 환경에서 고순도 게르마늄 검출기를 사용하여 희귀 과정에 대한 민감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 샌포드 지하연구시설에서 운영 중인 고순도 게르마늄 검출기 어레이인 MAJORANA DEMONSTRATOR의 콘미션 데이터 478 kg·d를 활용하였다.
• 어둠료물질 또는 희귀 입자 붕괴의 징후가 되는 단일에너지 또는 좁은 선형 신호를 찾기 위해 저에너지 스펙트럼을 분석하였다.
• 에너지 임계값 및 배경 제거 기법을 적용하여 전자 반동 사건에서 잠재적 신호를 분리하였다.
• 90% 신뢰수준에서 결합 상수 및 붕괴율에 대한 상한을 설정하기 위해 우도 기반 통계 방법을 사용하였다.
• 데이터를 효과적 결합 강도로 해석하기 위해 축소자-전자 및 축소자-핵자 결합에 대한 이론 모델을 통합하였다.
• 비-파울리 허용 전자 전이의 경우 β²을 포함한 매개변수화된 행렬 원소를 모델링하였으며, 스펙트럼 형상과 사건 빈도에서 유도된 제약 조건을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MAJORANA DEMONSTRATOR에서 11.8 keV 축소자-유사 입자와의 전자 결합 상수에 대한 상한은 무엇인가요?
• RQ2 관측된 저에너지 스펙트럼을 바탕으로, 벡터 어둠료물질과 전자의 결합 강도는 얼마나 강할 수 있나요?
• RQ3 태양 축소자에 대한 핵자 및 전자와의 효과적 결합 상수에 대한 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ4 게르마늄에서 파울리 배타 원리 위반 전자 전이에 대한 증거가 있는가, 만약 있다면 전이 강도에 대한 상한은 무엇인가요?
• RQ5 관측된 사건이 없었음을 바탕으로 전자 붕괴 과정 e⁻ → uūu에 대한 전자 수명의 하한은 무엇인가요?

주요 결과

• 11.8 keV 축소자-전자 결합 상수에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정하였으며, 90% 신뢰수준에서 g_Ae < 4.5 × 10⁻¹³이다.
• 벡터 어둠료물질과 전자의 결합 상수에 대해 α′/α < 9.7 × 10⁻²⁸의 한계를 설정하였다.
• 태양 축소자에 대해 효과적 결합 상수의 곱 g_AN^eff × g_Ae < 3.8 × 10⁻¹⁷를 90% 신뢰수준에서 측정하였다.
• 게르마늄에서 비-파울리 허용 전자 전이의 강도는 (1/2)β² < 8.5 × 10⁻⁴⁸로 제약되었다.
• 전자 붕괴 수명 e⁻ → uūu는 90% 신뢰수준에서 1.2 × 10²⁴ 년 이상으로 확인되었다.
• 희귀사건 탐색에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 이는 결합 상수 및 붕괴율에 대한 강력한 상한을 이끌어냈다.