[论文解读] First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment

XENON Collaboration, E. Aprile+164 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

XENONnT 使用 5.9 t 的液态 xenon 进行核反冲 WIMP 搜索，实现 1.09 t·y 的暴露，并报道在 28 GeV/c^2 下的自旋无关 WIMP-核子截面 2.58×10^-47 cm^2 的 90% CL 上限，未检测到显著超出。

ABSTRACT

We report on the first search for nuclear recoils from dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) with the XENONnT experiment which is based on a two-phase time projection chamber with a sensitive liquid xenon mass of $5.9$ t. During the approximately 1.1 tonne-year exposure used for this search, the intrinsic $^{85}$Kr and $^{222}$Rn concentrations in the liquid target were reduced to unprecedentedly low levels, giving an electronic recoil background rate of $(15.8\pm1.3)~\mathrm{events}/(\mathrm{t\cdot y \cdot keV})$ in the region of interest. A blind analysis of nuclear recoil events with energies between $3.3$ keV and $60.5$ keV finds no significant excess. This leads to a minimum upper limit on the spin-independent WIMP-nucleon cross section of $2.58 imes 10^{-47}~\mathrm{cm}^2$ for a WIMP mass of $28~\mathrm{GeV}/c^2$ at $90\%$ confidence level. Limits for spin-dependent interactions are also provided. Both the limit and the sensitivity for the full range of WIMP masses analyzed here improve on previous results obtained with the XENON1T experiment for the same exposure.

研究动机与目标

• 通过使用更大的两相液态 Xe 体积的 TPC、改进的背景抑制，推动对WIMPs的直接探测搜索。
• 实现前所未有的低电子反冲背景，以提升对来自WIMPs的核反冲的敏感度。
• 校准NR/ER响应并量化中子淘汰系统的效率，以稳健地约束WIMP信号。
• 在一系列WIMP质量范围内提供自旋无关和自旋相关WIMP-核子截面的更新限制。

提出的方法

• 使用具有5.9 t敏感LXe质量的两相时间投影腔来检测相互作用产生的S1和S2信号。
• 在低背景模式下抑制Kr-85和Rn-222，以达到在低于30 keV时ER背景为15.8 ± 1.3 events/(t·y·keV)。
• 使用AmBe中子源以及Pb-212和Ar-37源校准NR/ER响应，并用马尔可夫链蒙特卡洛拟合来建模背景。
• 在由cS1和cS2定义的NR ROI中应用盲分析，并使用中子排除(NV)以约53%的效率标记中子。
• 通过结合NR/ER模型和探测器效率的似然方法提取WIMP搜索结果。

Figure 1: NR and ER calibration data from \isotope [241]AmBe (orange), \isotope [220]Rn (blue) and \isotope [37]Ar (black). The median and the $\pm 2\text{\,}\sigma$ contours of the NR and ER model are shown in blue and red respectively. The gray dash-dotted contour lines show the reconstructed NR e

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定SR0暴露与背景条件下，自旋无关WIMP-核子截面的结果上限是多少？
• RQ2 在相同暴露下，XENONnT的NR搜索性能（效率、背景和能量范围）与XENON1T相比如何？
• RQ3 NR/ER响应校准有哪些，以及它们如何影响对潜在WIMP信号的解释？
• RQ4 NV标记效率和ER背景对跨质量的WIMP灵敏度有什么影响？
• RQ5 从该数据集中得到的自旋相关WIMP-核子相互作用的限制是什么？

主要发现

• 在ROI中未观察到显著的核反冲超出。
• 分析给出在90% CL下，28 GeV/c^2 WIMP对应的自旋无关WIMP-核子截面的最低上限为 2.58×10^-47 cm^2。
• 对于自旋相关相互作用，提供了限制（在摘录中未给出具体数值）。
• SR0暴露对应1.09 ± 0.03 t·y，场畸变校正后的本征LXe质量为4.18 ± 0.13 t。
• 在ROI中的电子反冲背景为15.8 ± 1.3 events/(t·y·keV)，在相同暴露下提升了相对于XENON1T的灵敏度。
• NR 能量范围的搜索为3.3 keV_NR至60.5 keV_NR，cS1 在 [0, 100] PE，cS2 在 [126, 12589] PE。

Figure 2: Detection and selection efficiency for NR events in this search as a function of the NR recoil energy. The total efficiency in the WIMP search region (black) is dominated by the detection efficiency (green) at low energies and event selections (blue) at higher energies until the edge of th