[论文解读] First Leptophobic Dark Matter Search from Coherent CAPTAIN-Mills

A. A. Aguilar-Arevalo, Daniele S. M. Alves+49 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 5

一句话总结

本论文首次在液氩探测器CAPTAIN-Mills（CCM）的工程运行期间，利用相干弹性散射搜索了对轻子禁闭的暗物质，实验使用了120个光电倍增管和17.9×10^20个质子-靶碰撞。尽管数据有限且氩气受到污染，实验仍实现了对先前未探索参数空间的探测灵敏度，在baryonic vector portal模型中，对暗物质质量在9 MeV至50 MeV之间、媒介子与暗物质质量比为2.1的参数区域，排除了90%置信水平（C.L.）。

ABSTRACT

We report the first results of a search for leptophobic dark matter (DM) from the Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) liquid argon (LAr) detector. An engineering run with 120 photomultiplier tubes (PMTs) and $17.9 imes 10^{20}$ protons-on-target (POT) was performed in Fall 2019 to study the characteristics of the CCM detector. The operation of this 10-ton detector was strictly light-based with a threshold of 50 keV and used coherent elastic scattering off argon nuclei to detect DM. Despite only 1.5 months of accumulated luminosity, contaminated LAr, and non-optimized shielding, CCM's first engineering run already achieved sensitivity to previously unexplored parameter space of light dark matter (LDM) models with a baryonic vector portal. With an expected background of 115,005 events, we observe 115,005+16.5 events which is compatible with background expectations. For a benchmark mediator-to-dark matter mass ratio of $m_{_{V_B}}/m_χ=2.1$, DM masses within the range $9\, ext{MeV} \lesssim m_χ\lesssim 50\, ext{MeV}$ have been excluded at 90% C.L. in the leptophobic model after applying the Feldman-Cousins test statistic. CCM's upgraded run with 200 PMTs, filtered LAr, improved shielding, and ten times more POT will be able to exclude the remaining thermal relic density parameter space of this model, as well as probe new parameter space of other leptophobic DM models.

研究动机与目标

• 通过CCM探测器在液氩中利用相干弹性散射搜索对轻子禁闭的暗物质。
• 探测具有强子型矢量门户的轻量暗物质模型中此前未被探索的参数空间。
• 证明低成本工程运行在数据有限且屏蔽未优化条件下的探测灵敏度。
• 为未来升级奠定基础，以实现对热重子密度目标的探测灵敏度。
• 验证在固定靶实验中，质子束诱导的稀有π介子衰变可作为暗物质源的可行性。

提出的方法

• 利用10吨液氩探测器中暗物质与⁴⁰Ar核的相干弹性散射。
• 采用120个光电倍增管探测核反冲产生的闪烁光，能量阈值为50 keV。
• 通过束流非同步时间窗口估算背景，以模拟CE$ν$NS的预期信号。
• 应用Feldman-Cousins检验统计量计算90%置信水平的排除极限。
• 在$m_{V_B} = [0.3-134]$ MeV和$m_\chi = [0.1-67]$ MeV范围内扫描$m_{V_B}$–$m_\chi$参数空间，推导出强子耦合强度$\alpha_B$的限制。
• 采用与先前MiniBooNE分析一致的频率学方法进行统计处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 液氩探测器的低成本工程运行是否能实现对对轻子禁闭暗物质模型的探测灵敏度？
• RQ2 仅用1.5个月数据和受污染氩气，能排除具有强子型矢量门户的轻量暗物质模型的哪些参数空间？
• RQ3 CCM的灵敏度与同质量范围内先前实验（如MiniBooNE和NA62）相比如何？
• RQ4 通过滤除氩气和改进屏蔽等探测器改进措施，能将未来实验的探测范围扩展到何种程度？
• RQ5 液氩中的相干散射能否探测到不与电子或光子耦合的暗物质？

主要发现

• CCM120在基准对轻子禁闭模型中，对暗物质质量在9 MeV至50 MeV之间、$m_{V_B}/m_\chi = 2.1$的参数区域，排除了90%置信水平（C.L.）。
• 实验将排除的参数空间扩展至超过先前来自MiniBooNE和NA62的约束，尤其在$2\;\text{MeV} \lesssim m_\chi \lesssim 29\;\text{MeV}$范围内。
• 排除极限现已覆盖热重子密度目标，下限达$m_\chi \gtrsim 9\;\text{MeV}$，此前未被探索。
• 观测数据（115,005起事件）与背景预期（115,005 +16.5起事件）一致，未发现显著过量。
• 对升级后的CCM200运行（200个PM T、滤除氩气、改进屏蔽）的灵敏度预测表明，有望排除剩余的热重子密度参数空间。
• 即使仅使用1.5个月数据且因氩气污染导致辐射衰减长度约50 cm，实验仍实现了具有竞争力的探测灵敏度。