[論文レビュー] Solar Kaluza-Klein axion search with NEWS-G

collaboration, NEWS-G, :+41 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 71被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、余剰次元理論における仮説的な質量のあるaxion励起状態としての太陽系Kaluza-Klein (KK) axionの直接探索を、NEWS-G実験の球形比例計数器を用いて実施する。地球周辺に捕らえられたKK axionの二光子崩壊断面を検出することで、90%信頼水準における世界で最も厳密な上限 $ g_{a\gamma\gamma} < 8.99 \times 10^{-13} \, \text{GeV}^{-1} $ を設定し、以前の直接制約を5倍改善した。

ABSTRACT

Kaluza-Klein (KK) axions appear in theories with extra dimensions as higher mass, significantly shorter lifetime, excitations of the Peccei-Quinn axion. When produced in the Sun, they would remain gravitationally trapped in the solar system, and their decay to a pair of photons could provide an explanation of the solar corona heating problem. A low-density detector would discriminate such a signal from the background, by identifying the separation of the interaction point of the two photons. The NEWS-G collaboration uses large volume Spherical Proportional Counters, gas-filled metallic spheres with a spherical anode in their centre. After observation of a single axionlike event in a 42 day long run with the SEDINE detector, a $90\%$ C.L. upper limit of $g_{a\gamma\gamma}<8.99\cdot10^{-13}\,GeV^{-1}$ is set on the axion-photon coupling for a KK axion density on Earth of $n_{a}=4.07\cdot10^{13}\,m^{-3}$ and two extra dimensions of size $R = 1\,eV^{-1}$.

研究の動機と目的

• 太陽で生成され、太陽系内で重力的に捕らえられたKaluza-Klein axionが、太陽コロナ加熱問題を説明できるかを検証すること。
• ガス検出器を用いて、地球で捕らえられたこれらのKK axionの二光子崩壊断面を直接検出すること。
• 球形比例計数器が有する独自のバックグラウンド拒否能力を活用して、axion-光子結合定数に対する既存の直接制約を改善すること。
• 2つの余剰次元を想定したモデル仮定（$ n_a = 4.07 \times 10^{13} \, \text{m}^{-3} $ および $ R = 1 \, \text{eV}^{-1} $）のもとで、axion-光子結合定数 $ g_{a\gamma\gamma} $ のベンチマーク限界を設定すること。

提案手法

• axion崩壊から生じる二つの逆向きの光子を検出するために、中央アノードを有する金属球体のガス充填型球形比例計数器（SPC）を用いる。
• 2つの等しい振幅のパルスが固定時間窓内で連続して現れる二重光子イベントを特定するために、パルス処理技術を採用する。
• 2–22 keVのエネルギー範囲で検出器応答をモデル化するため、55Feおよび37Arキャリブレーション源を用いてエネルギーおよび空間分解能補正を実施する。
• 特定のパルス形状および時間特性を持つイベントを選別することで、99.99%の厳密なバックグラウンド拒否を実現する。
• クイーンズ大学に設置された60 cm径のSEDINE検出器を用いて、42日間のデータ取得を実施し、axion崩壊イベントを探索する。
• 検出効率およびバックグラウンドレベルの予測をシミュレーションで行い、55Fe誘発アルゴン蛍光を用いて結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高バックグラウンド拒否性能を有するガス検出器を用いて、太陽Kaluza-Klein axionの二光子崩壊断面を地球で検出可能か？
• RQ2 捕らえられたKK axionのベンチマークモデルのもとで、axion-光子結合定数 $ g_{a\gamma\gamma} $ に対する最も強い直接制約は何か？
• RQ3 SEDINE検出器の感度は、地球におけるaxion崩壊探索のこれまでの直接探索と比べてどの程度か？
• RQ4 SNOLABに設置予定の将来のS140検出器は、放射能純度の向上と体積の増大を考慮すると、現在の限界をどの程度改善できるか？
• RQ5 静穏な太陽の広がりX線スペクトルは、捕らえられたKK axionの崩壊によって説明可能か？その場合、必要な結合定数はどの程度か？

主な発見

• 42日間のデータで1件の候補イベントが観測され、バックグラウンドの期待値と整合的であり、90%信頼水準における上限 $ g_{a\gamma\gamma} < 8.99 \times 10^{-13} \, \text{GeV}^{-1} $ が得られた。
• この上限は、XMASS実験が報告した以前の最良の直接制約 $ g_{a\gamma\gamma} < 4.8 \times 10^{-12} \, \text{GeV}^{-1} $ よりも5倍厳密である。
• 2–22 keVエネルギー範囲で99.99%のバックグラウンド拒否が達成され、axion崩壊イベントに対する感度は16.34%であった。
• 本研究は、axion崩壊の二重光子断面を直接制限する初の限界を設定し、非相対論的粒子が9–14 keVの質量範囲にあり、90%信頼水準で1日あたり約2イベント/m³を超える統合崩壊率を除外した。
• 将来のSNOLABのS140検出器は、バックグラウンド対信号比を拒否後20%まで低下させられ、400日間のデータ取得で太陽KK axionモデルの好ましいパラメータ空間を探索可能になると予想される。
• 太陽KK axionの統合検出効率に対する最終的な不確実性は24%と推定され、今後のモデル比較の信頼性の高い根拠を提供する。