[論文レビュー] Search for the Migdal effect in liquid xenon with keV-level nuclear recoils

Jing Xu, Duncan Adams+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、マークド14.1 MeV中性子散乱から得られるkeVレベルの核反発を用いて、液体キセノンにおけるミグダル効果の直接実験的探索を初めて行った。低バックグラウンド率にもかかわらず、顕著な信号は観測されず、ミグダルイオン化率の過大評価、または液体キセノンにおける電子-イオン再結合の増幅が原因である可能性を示唆しており、低質量ダークマター検出感度に影響を与える。

ABSTRACT

The Migdal effect predicts that a nuclear recoil interaction can be accompanied by atomic ionization, allowing many dark matter direct detection experiments to gain sensitivity to sub-GeV masses. We report the first direct search for the Migdal effect for M- and L-shell electrons in liquid xenon using 7.0$\pm$1.6 keV nuclear recoils produced by tagged neutron scatters. Despite an observed background rate lower than that of expected signals in the region of interest, we do not observe a signal consistent with predictions. We discuss possible explanations, including inaccurate predictions for either the Migdal rate or the signal response in liquid xenon. We comment on the implications for direct dark-matter searches and future Migdal characterization efforts.

研究の動機と目的

• 液体キセノンにおけるミグダル効果の存在を直接検証すること、ここで核反発が原子イオン化を引き起こし、その後に電子反発が生じる。
• 二相キセノン時間投影連合器（TPC）における、1GeV未満のダークマター検出メカニズムとしてのミグダル効果の実用可能性を評価すること。
• 観測された信号が存在しないという事実を踏まえて、液体キセノンにおけるミグダルイオン化率の現在の理論的予測が正確かどうかを評価すること。
• 液体キセノンにおける電子-イオン再結合の強化が、ミグダル事象からの検出可能なイオン化信号を抑制している可能性を調査すること。
• 将来的な液体キセノン検出器におけるミグダル効果の特徴付けのための低バックグラウンド実験的ベースラインを確立すること。

提案手法

• 核反発からの発光（S1）およびイオン化（S2）信号を検出するため、コンactな二相キセノン時間投影連合器（TPC）を用いた。
• 既知の運動学的特性を持つマークド14.1 MeVの中性子を用いて、keVレベルの核反発を生成し、反発エネルギーおよび角度を正確に再構築可能とした。
• ミグダルイオン化が測定可能な電子反発信号を生成すると予測される領域を標的とし、核反発エネルギーを $7.0 \pm 1.6\ \text{keV}$ に選定した。
• S1-S2識別を実施し、電子反発（ER）信号と核反発（NR）バックグラウンドを分離し、ミグダル誘発ERの領域（ROI）に注目した。
• 理論的モデル（Ibeら（2018）、Adams ら（2023））を用いて予想されるミグダル信号率を計算し、原子データおよび電子殻イオン化確率を組み込んだ。
• バックグラウンド寄与を中性子の多重散乱（NMS）およびピルアップ（PS）から評価したが、いずれもROIで0.1未満のカウントであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 keVレベルの核反発によって誘発された液体キセノンにおけるミグダル効果が、検出可能な電子反発信号を生じるか？
• RQ2 液体キセノンにおけるミグダルイオン化率の現在の理論的予測は、実験的観測と整合的か？
• RQ3 液体キセノンにおける電子-イオン再結合が強化されている場合、ミグダル事象からのイオン化信号が抑制され、効果が存在しても信号が得られない原因となっている可能性は？
• RQ4 核反発と電子反発の軌道の近接性が、液体キセノンにおける信号検出効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 予測された信号率と観測された信号率の不一致は、ミグダル率または検出器応答関数の再評価によって解消可能か？

主な発見

• 領域の注目（ROI）では顕著な信号が観測されず、測定されたバックグラウンド率は $0.9 \pm 0.9$ カウントであり、予想される信号率より著しく低かった。
• 観測された信号対ノイズ比（SNR）は1を超えており、理論的予測と実騒音データの間に矛盾があることを示唆しているが、統計的パワーが低いことが制限要因である。
• 中性子の多重散乱（NMS）およびピルアップ（PS）からのバックグラウンド寄与はそれぞれ0.1未満と推定され、実験の低バックグラウンド性能を裏付けた。
• 陽性結果が得られなかったことから、液体キセノンにおける予測されたミグダルイオン化率が過大評価されているか、再結合効果が検出可能なイオン化信号を抑制している可能性がある。
• ミグダル事象では核反発と電子反発の軌道が近接しているため、再結合が促進され、孤立した電子反発と比較してS2信号が最大2倍まで低下する可能性がある。
• 本研究は、将来的なミグダル効果の特徴付けに不可欠な実験的ベンチマークを確立した。液体キセノンにおける再結合の第一原理的シミュレーションの必要性が浮き彫りになった。