[논문 리뷰] Projected sensitivities of the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment to new physics via low-energy electron recoils

DS Akerib, A. K. Al Musalhi외 191명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 23.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5.6톤-년 노출와 <100 keV 영역에서 초저배경 수준을 활용하여 LUX-ZEPLIN (LZ) 실험의 뉴트리노 자기모멘트, 밀리전하 뉴트리노, 옥신, 은닉 광자, 거울 어둠의 물질, 렙틸로픽 어둠의 물질 등을 포함한 신물리 신호에 대한 감도를 예측한다. 세계 최고 수준의 감도를 확보한다.

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) is a dark matter detector expected to obtain world-leading sensitivity to weakly interacting massive particles (WIMPs) interacting via nuclear recoils with a ~7-tonne xenon target mass. This manuscript presents sensitivity projections to several low-energy signals of the complementary electron recoil signal type: 1) an effective neutrino magnetic moment and 2) an effective neutrino millicharge, both for pp-chain solar neutrinos, 3) an axion flux generated by the Sun, 4) axion-like particles forming the galactic dark matter, 5) hidden photons, 6) mirror dark matter, and 7) leptophilic dark matter. World-leading sensitivities are expected in each case, a result of the large 5.6t 1000d exposure and low expected rate of electron recoil backgrounds in the <100keV energy regime. A consistent signal generation, background model and profile-likelihood analysis framework is used throughout.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 전자 반발을 통해 새로운 물리 신호에 대한 LUX-ZEPLIN (LZ) 실험의 감도를 예측하는 것.
• 표준모형을 초월한 희귀하고 약하게 상호작용하는 입자를 전자 반발 상호작용을 통해 탐지하는 데 도전하는 것.
• 일致된 분석 프레임워크를 사용하여 다양한 새로운 물리 시나리오에 대해 세계 최고 수준의 감도 한계를 설정하는 것.
• LZ의 큰 노출량과 <100 keV 에너지 창에서의 낮은 전자 반발 배경이 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 7톤 키토닌 타겟을 가진 LZ 실험의 5.6톤-년 노출를 활용하여 희귀 신호에 대한 감도를 향상시키는 것.
• 모든 새로운 물리 시나리오에 걸쳐 일관된 신호 생성, 배경 모델링 및 프로파일-가능도 분석 프레임워크를 구현하는 것.
• pp-체인 태양 뉴트리노, 옥신 플럭스, 옥신 유사 입자, 은닉 광자, 거울 어둠의 물질, 렙틸로픽 어둠의 물질에서 오는 전자 반발 신호의 감도를 예측하는 것.
• 전자 반발 배경이 최소화되는 <100 keV 에너지 영역에 집중하여 신호 탐지 가능성을 높이는 것.
• 다양한 새로운 물리 모델 간의 감도 한계를 비교하기 위해 통합된 분석 접근법을 적용하는 것.
• 각 새로운 물리 후보자에 대해 이론 모델을 사용하여 LZ 검출기에서 예상되는 사건 빈도를 계산하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LZ는 전자 반발 상호작용을 통해 효과적인 뉴트리노 자기모멘트에 대해 어떤 감도를 보일 수 있는가?
• RQ2 pp-체인 태양 뉴트리노의 맥락에서 LZ는 효과적인 밀리전하 뉴트리노 존재에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 LZ는 태양에서 생성된 옥신을 전자 반발 과정을 통해 탐지할 수 있는가?
• RQ4 LZ는 은하 어둠의 물질을 구성하는 옥신 유사 입자에 대해 전자 반발 신호를 통해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ5 은닉 광자와 거울 어둠의 물질에 대해 저에너지 전자 반발을 통해 어떤 감도가 예측되는가?

주요 결과

• LZ는 전자 반발 영역에서 큰 노출량과 낮은 배경 수준 덕분에 효과적인 뉴트리노 자기모멘트에 세계 최고 수준의 감도를 확보한다.
• 100 keV 이하의 낮은 전자 반발 배경 덕분에 뉴트리노 밀리전하에 대한 감도가 현재까지 가장 엄격한 것으로 예측된다.
• 태양에서 오는 옥신 플럭스에 대해 이전 한계를 뛰어넘는 초고감도로 탐지가 가능할 것으로 기대된다.
• LZ는 은하 어둠의 물질을 구성하는 옥신 유사 입자에 대해 전자 반발 탐측을 통해 현재까지 가장 엄격한 제약 조건을 설정할 것으로 예상된다.
• 은닉 광자와 거울 어둠의 물질에 대한 감도는 기존 한계와 비교해도 경쟁력 있거나 그 이상일 것으로 예측된다.
• LZ의 에너지 창에서 전자 반발 신호가 지배적이므로 렙틸로픽 어둠의 물질 모델은 향상된 감도로 탐지가 가능할 것으로 예상된다.