[논문 리뷰] Sensitivity to sub-GeV dark matter in forthcoming spallation-source neutrino experiments

D. Aristizabal Sierra, V. De Romeri외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 02.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 0

한 줄 요약

논문은 앞으로 ESS, J-PARC, CSNS의 스팔레이션 중성자 소스에서의 CEνNS 검출기가 벡터 포털을 통해 중성-파이오의 붕괴를 통해 sub-GeV 스칼라 다크 물질을 어떻게 탐지할 수 있는지 평가하고, GEANT4와 Sanford-Wang pi0 생산 접근법을 비교한다.

ABSTRACT

Sub-GeV thermal dark matter weakly interacting with the Standard Model through vector-portal mediators provides a well-motivated and predictive framework that remains challenging to probe with conventional direct detection experiments. Motivated by the rapid development of neutrino facilities based on spallation neutron sources, we study the sensitivity of future coherent elastic neutrino-nucleus scattering experiments to light dark matter produced in neutral pion decays. We consider scalar dark matter interactions mediated by two different vector portals, a generic dark photon and a baryophilic vector mediator. The neutral pion yield is calculated through a GEANT4 simulation and the results are compared with those obtained with the Sandford-Wang parametrization. We show that predictions based on either approach do not produce significant differences. Our results demonstrate that upcoming low-threshold neutrino detectors at the European Spallation Source (ESS), the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) and the China Spallation Neutron Source (CSNS) may test regions in parameter space not yet explored, or be competitive with existing bounds. We point out that these facilities will strengthen the global experimental program searching for secluded sectors.

연구 동기 및 목표

• 전통적 직접 탐지에 도전적인 대상으로서 sub-GeV 다크 물질의 매력과 스팔레이션-중성자 소스 CEννS 실험을 보완적 탐침으로 설정하려 한다.
• 향후 CEνNS 검출기에서의 가시성을 위해 두 가지 벡터-포털 DM 시나리오(일반 다크 포톤과 바리오필릭 U(1)B)를 탐구한다.
• GEANT4 시뮬레이션과 Sanford-Wang 매개화를 통해 중성 파이오 생산과 그에 따른 DM 플럭스를 정량화하고, 접근법을 검증한다.
• ESS, J-PARC, CSNS에서 현실적인 검출기 가정하에 다크 포톤 매개체를 가진 스칼라 DM에 대한 감도 전망을 제시한다.

제안 방법

• π0 붕괴를 통한 다크 포톤 A′와의 수송으로 DM 생산을 모델링하고, 운동 혼합 ε와 DM 결합 gD를 사용한다.
• Y ≡ ε^2 αD (mφ/mA′)^4로 표현된 유령 밀도 타깃을 제시하고 CMB 제약에 대한 p-wave 소멸 화를 분석한다.
• π0 플럭스를 GEANT4 시뮬레이션과 Sanford–Wang 해석적 매개화로 비교하여 Tπ0와 cosθπ0에서 π0 PDF를 구한다.
• π0의 운동학으로부터 DM 에너지 및 각 분포를 구성한 뒤 DM-핵 산란과 접어들어 CEνNS 유사 반동 이벤트를 예측한다.
• ESS(2 GeV 빔을 예시로 한)와 J-PARC, CSNS의 중/대형 타깃(Ge, Xe, CsI) 및 배경 고려사항으로 detector 구성 평가를 수행한다.

Figure 1: Left graph : Two-dimensional normalized neutral pion PDF in the $T_{\pi^{0}}-\cos\theta_{\pi^{0}}$ plane derived from the $\pi^{0}$ four momentum sample obtained through a GEANT4 simulation. The sample accounts for about $3\times 10^{5}$ pion events and applies for the ESS forecasted exper

실험 결과

연구 질문

• RQ1 π0 붕괴에서 생성된 sub-GeV 스칼라 DM이 향후 스팔레이션 소스의 CEνNS 유사 핵 반응으로 탐지될 수 있는가?
• RQ2 DM 플럭스 추정에 대해 GEANT4 기반 π0 생산 예측과 Sanford–Wang 매개화가 이 맥락에서 어떻게 상호 비교되는가?
• RQ3 향후 스팔레이션 소스 CEννS 실험이 재결정-밀도 타깃에 비해 벡터-포털 DM 매개 공간의 어떤 영역(일반 A′ 및 바리오필릭 A′)을 테스트할 수 있는가?
• RQ4 ESS, J-PARC, CSNS의 검출기 선택과 빔 에너지가 sub-GeV DM에 대한 전망 감도에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 p-wave 소멸과 같은 우주론적 제약이 실행 가능한 DM 시나리오 해석에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• ESS, J-PARC, CSNS의 앞으로의 저임계 CEνNS 검출기는 아직 탐색되지 않은 sub-GeV DM 매개 공간의 새로운 영역을 테스트할 수 있다.
• GEANT4 pi0 플럭스와 Sanford–Wang 매개화를 기반으로 한 예측은 서브리딩 효과로 인한 작은 차이에도 불구하고 질적 결과가 일관된다.
• 중성-파이오 생산은 빔 방향으로 전달된 포워드 피크를 형성하여 빔 축을 따라 검출기 수용성을 증가시킨다.
• 두 벡터-포털 벤치마크(일반 다크 포톤 및 바리오필릭) 모두 밀폐된 부문에 관련된 경량 DM 시나리오의 광범위한 클래스를 포괄한다.
• 분석 프레임워크는 π0 생산, 다크 포톤 매개 DM 생산, DM–핵 산란을 CEνNS와 같은 신호로 연결하는 계획된 검출기에 적용 가능하다.

Figure 2: Left panel : One-dimensional, normalized $\pi^{0}$ kinetic-energy PDFs obtained from the GEANT4 simulation and from the Sanford–Wang analytical parametrization. Right panel : Same comparison, but for the $\cos\theta_{\pi^{0}}$ distribution. In both cases, visible differences arise from sub