[논문 리뷰] The dark matter: DAMA/LIBRA and its perspectives

R. Bernabei, P. Belli외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 10.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 DAMA/LIBRA–phase2 실험의 업데이트된 결과를 제시하며, 1–6 keV 에너지 범위에서 단일 충격 스크린티레이션 사건에 대해 모델에 의존하지 않는 연간 주기성 신호를 11.8σ 신뢰수준에서 확인한다. 누적 노출량은 22개의 연간 사이클 동안 2.86 톤×년에 달한다. 이 신호는 은하간 헬리오스피어의 암흑물질 입자와 일관되며, 그 전반적인 특징을 모방할 수 있는 알려진 시스템적 오차는 존재하지 않는다.

ABSTRACT

Experimental observations and theoretical arguments point out that Dark Matter (DM) particles are one of the most prominent component of the Universe. This motivated the pioneer DAMA experiment to investigate the presence of these particles in the galactic halo, by exploiting the model independent signature of the DM annual modulation of the rate and very highly radio-pure apparatus in underground site. In this paper the results obtained by other two annual cycles of DAMA/LIBRA-phase2 are presented and the long-standing model-independent annual modulation effect measured by DAMA deep underground at the Gran Sasso National Laboratory (LNGS) of the I.N.F.N. with different experimental configurations is summarized. The improved experimental configuration of DAMA/LIBRA-phase2, $\simeq$ 250 kg highly radio-pure NaI(Tl), allowed to lower the software energy threshold. The total exposure of DAMA/LIBRA-phase2 over 8 annual cycles is 1.53 ton $ imes$ yr. DAMA/LIBRA-phase2 confirms the evidence of a signal that meets all the requirements of the model independent Dark Matter annual modulation signature, at 11.8 $σ$ C.L. in the energy region (1-6) keV. In the energy region between 2 and 6 keV, where data are also available from DAMA/NaI and DAMA/LIBRA-phase1 (2.86 ton $ imes$ yr), the achieved C.L. is 13.7 $σ$; the modulation amplitude of the single-hit scintillation events is: $(0.01014 \pm 0.00074)$ cpd/kg/keV, the measured phase is $(142.4 \pm 4.2)$ days and the measured period is $(0.99834 \pm 0.00067)$ yr, all these values are well in agreement with those expected for DM particles. No systematics or side reaction able to mimic the exploited DM signature (i.e. to account for the whole measured modulation amplitude and to simultaneously satisfy all the requirements of the signature), has been found or suggested by anyone throughout some decades thus far.

연구 동기 및 목표

• 모델에 의존하지 않는 연간 주기성 신호를 통해 은하간 헬리오스피어에 암흑물질 입자가 존재하는지를 확인하기 위해.
• 소프트웨어 에너지 임계값을 낮추고 저에너지 영역에서의 노출량을 늘림으로써 민감도를 향상시키기 위해.
• 연간 주기성 신호를 모의할 수 있는 시스템적 오차나 부작용을 배제하기 위해.
• 다양한 실험 설정과 장기간의 데이터 수집 기간 동안 신호의 강건성을 시험하기 위해.
• 향상된 에너지 해상도와 통계적 정밀도를 통해 다양한 암흑물질 후보자와 이론 모델 간의 구별을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 그란 사소 국립연구소(LNGS)의 지하 위치에 위치한 250 kg의 고순도 방사능을 갖는 NaI(Tl) 검출기 어레이를 사용한다.
• 2세대 고양자효율성 향상형 하마마츠 R6233MOD 광전자배율관과 업그레이드된 전자회로를 적용하여 신호 수집 능력을 향상시키고 배경을 감소시킨다.
• 최신 데이터에서는 소프트웨어 에너지 임계값을 0.75 keV로 설정하였으며, 향후 1 keV 이하로 더 낮추기 위한 하드웨어 업그레이드를 진행 중이다.
• 단일 충격 스크린티레이션 사건을 분석하여 암흑물질 상호작용이 무시할 수 있는 다중 충격 사건과 구별되는 연간 주기성 신호를 고립한다.
• 주기성 진폭, 단위, 주기의 통계적 분석을 수행하여 암흑물질 신호에 기대하는 바와 일치하는지 시험한다.
• DAMA/NaI, DAMA/LIBRA–phase1, DAMA/LIBRA–phase2의 데이터를 통합하여 누적 노출량 2.86 톤×년을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 충격 스크린티레이션 사건의 연간 주기성 신호가 22개의 독립적인 연간 사이클에 걸쳐 일관된 단위와 주기를 유지하는가?
• RQ2 (2–6) keV 영역에서 관측된 주기성 진폭이 알려진 시스템적 오차나 배경 과정으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 주기성 신호가 저에너지 사건(1–6 keV)에 국한되어 있으며 고에너지 또는 다중 충격 사건에서는 관측되지 않는가? 이는 암흑물질에 기대되는 바이다.
• RQ4 DAMA 실험의 모든 단계 데이터를 통합했을 때 주기성 신호의 통계적 유의수준은 무엇인가?
• RQ5 이 신호는 배경 또는 검출기 반응의 계절적 변동과 같은 자연적 주기적 현상과 구별될 수 있는가?

주요 결과

• DAMA/LIBRA–phase2 실험은 누적 노출량 1.53 톤×년으로 1–6 keV 에너지 범위에서 모델에 의존하지 않는 연간 주기성 신호를 11.8σ 신뢰수준에서 확인하였다.
• DAMA/NaI 및 DAMA/LIBRA–phase1의 데이터와 통합했을 때 총 노출량은 2.86 톤×년에 도달하였으며, (2–6) keV 영역에서의 주기성 신호 유의수준은 13.7σ 신뢰수준에 이르렀다.
• (2–6) keV 범위에서의 단일 충격 사건에 대한 측정된 주기성 진폭은 (0.01014 ± 0.00074) cpd/kg/keV이다.
• 주기성의 측정된 단위는 (142.4 ± 4.2) 일로, 2월 2일(152.5일) 경로에 예상되는 피크와 일치한다.
• 측정된 주기는 (0.99834 ± 0.00067) 년으로, 암흑물질에 기대되는 1년 주기와 뛰어난 일치를 보인다.
• 수십 년에 걸친 관찰 기간 동안 주기성 신호의 전체 진폭과 모든 필수 특징을 동시에 설명할 수 있는 알려진 시스템적 오차나 부작용은 발견되지 않았다.