[논문 리뷰] Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T

E. Aprile, J. Aalbers외 137명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 08.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 78

한 줄 요약

XENON1T는 7 keV 이하의 전자 반동 사건에서 초과 현상을 관측하였으며, 태양 축합자에 기인한 3.5σ의 뜻밖의 결과와 중성자기모멘트에 대한 3.2σ의 선호도를 보였다. 데이터는 또한 2.3 keV에서 단일 에너지의 어둠성 물질 피크를 3.0σ의 전역 유의수준으로 선호하며, 1–210 keV/c² 범위에서 편미분자 및 벡터 보존 어둠성 물질에 대해 현재까지 가장 날카로운 제약 조건을 설정하였다.

ABSTRACT

We report results from searches for new physics with low-energy electronic recoil data recorded with the XENON1T detector, with an exposure of 0.65 t-y and an unprecedentedly low background rate of $76 \pm 2_{stat}$ events/(t y keV) between 1-30 keV. An excess over known backgrounds is observed below 7 keV, rising towards lower energies and prominent between 2-3 keV. The solar axion model has a 3.5$\sigma$ significance, and a three-dimensional 90% confidence surface is reported for axion couplings to electrons, photons, and nucleons. This surface is inscribed in the cuboid defined by $g_{ae} < 3.7 imes 10^{-12}$, $g_{ae}g_{an}^{eff} < 4.6 imes 10^{-18}$, and $g_{ae}g_{a\gamma} < 7.6 imes10^{-22}~{GeV}^{-1}$, and excludes either $g_{ae}=0$ or $g_{ae}g_{a\gamma}=g_{ae}g_{an}^{eff}=0$. The neutrino magnetic moment signal is similarly favored over background at 3.2$\sigma$ and a confidence interval of $\mu_{ u} \in (1.4,~2.9) imes10^{-11}\mu_B$ (90% C.L.) is reported. Both results are in strong tension with stellar constraints. The excess can also be explained by $\beta$ decays of tritium at 3.2$\sigma$ significance with a corresponding tritium concentration in xenon of $(6.2 \pm 2.0) imes 10^{-25}$ mol/mol. Such a trace amount can be neither confirmed nor excluded with current knowledge of production and reduction mechanisms. The significances of the solar axion and neutrino magnetic moment hypotheses are decreased to 2.1$\sigma$ and 0.9$\sigma$, respectively, if an unconstrained tritium component is included in the fitting. With respect to bosonic dark matter, the excess favors a monoenergetic peak at ($2.3 \pm 0.2$) keV (68% C.L.) with a 3.0$\sigma$ global (4.0$\sigma$ local) significance over background. This analysis sets the most restrictive direct constraints to date on pseudoscalar and vector bosonic dark matter for most masses between 1 and 210 keV/c$^2$.

연구 동기 및 목표

• XENON1T 실험에서 0.65 t-y의 노출로 얻은 저에너지 전자 반동 데이터에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 특히 2–3 keV 범위에서 알려진 배경을 초월한 7 keV 이하의 사건 초과 현상의 기원을 조사하기 위해.
• 축합자와 전자, 광자, 핵자 간의 결합 상수를 제약하기 위해, 또한 중성자기모멘트와 티트륨 오염 가능성을 평가하기 위해.
• 특히 약 2.3 keV에서 단일 에너지 피크를 생성하는 보존 어둠성 물질 후보의 타당성을 평가하기 위해.
• 관측된 신호가 항성 에너지 손실 제약 조건과 기존 티트륨 생성 메커니즘과 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 1–30 keV 범위에서 배경율이 76 ± 2 events/(t·y·keV)인 XENON1T 검출기에서 0.65 t-y의 저에너지 전자 반동 데이터 분석.
• 태양 축합자, 중성자기모멘트, 티트륨 β 붕괴, 단일 에너지 어둠성 물질 성분의 모델을 사용하여 관측된 에너지 스펙트럼에 적합.
• 축합자 결합 상수 $g_{ae}$, $g_{ae}g_{an}^{eff}$, 및 $g_{ae}g_{a heta}$에 대한 3차원 90% 신뢰도 표면을 구축하며, 데이터에 의해 제약을 받는다.
• 신뢰도 간격과 유의수준에 영향을 미치는지를 평가하기 위해 티트륨 농도를 피팅에 자유 매개변수로 포함.
• 로컬 및 글로벌 유의수준을 계산하기 위해 프로파일-우도 방법을 사용하며, 68% 및 90% 신뢰도 간격 포함.
• 신호 가설을 항성 제약 조건과 비교하여 천체물리학적 일관성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XENON1T에서 관측된 7 keV 이하의 전자 반동 사건 초과 현상, 특히 2–3 keV 범위에서의 현상은 무엇이 원인인가?
• RQ2 초과 현상은 태양 축합자, 중성자기모멘트 또는 티트륨 β 붕괴로 어느 정도 설명될 수 있는가?
• RQ3 이 데이터 기반으로 축합자와 전자, 광자, 핵자 간의 결합 상수에 대해 가장 날카로운 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 초과 현상은 약 2.3 keV에서 단일 에너지 피크를 생성하는 보존 어둠성 물질 신호로 해석될 수 있는가?
• RQ5 항성 에너지 손실 제약 조건은 제안된 초과 현상 설명의 타당성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2–3 keV 범위에서 3.5σ의 초과 현상이 관측되었으며, 태양 축합자에 의해 가장 잘 설명되며, 90% 신뢰도 표면은 $g_{ae} < 3.7 \times 10^{-12}$, $g_{ae}g_{an}^{eff} < 4.6 \times 10^{-18}$, 및 $g_{ae}g_{a heta} < 7.6 \times 10^{-22}~\text{GeV}^{-1}$로 정의된 입방체 내에 포함된다.
• 중성자기모멘트 가설은 배경보다 3.2σ 높은 선호도를 보이며, 90% 신뢰도 간격은 $\mu_{\nu} \in (1.4,~2.9) \times 10^{-11}\mu_B$이다.
• 초과 현상은 티트륨 β 붕괴로 3.2σ의 유의수준에서 설명 가능하며, 이는 키토젠 내에서 $(6.2 \pm 2.0) \times 10^{-25}$ mol/mol의 티트륨 농도에 해당한다.
• 티트륨을 자유 매개변수로 포함시킬 경우, 축합자 및 중성자기모멘트 가설의 유의수준은 각각 2.1σ 및 0.9σ로 감소한다.
• 2.3 ± 0.2 keV에서 단일 에너지 어둠성 물질 피크는 배경보다 3.0σ의 전역 유의수준과 4.0σ의 로컬 유의수준에서 선호된다.
• 이 분석은 1–210 keV/c² 범위에서 편미분자 및 벡터 보존 어둠성 물질에 대해 현재까지 가장 엄격한 직접 제약 조건을 설정하였다.