[论文解读] A First Search for Solar $^8$B Neutrino in the PandaX-4T Experiment using Neutrino-Nucleus Coherent Scattering

Wenbo Ma, Abdusalam Abdukerim+89 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究首次在PandaX-4T实验中利用液态氙时间投影室通过相干弹性中微子-核子散射（CE$ν$NS）搜索太阳$^8$B中微子，实现了最低的能阈和严格的本底抑制。未观测到显著过量，从而设定了通过CE$ν$NS测量太阳$^8$B中微子通量的最强上限，并对3–9 GeV/c²质量范围内的自旋无关型暗物质-核子散射截面给出了最灵敏的约束。

ABSTRACT

A search for interactions from solar $^8$B neutrinos elastically scattering off xenon nuclei using PandaX-4T commissioning data is reported. The energy threshold of this search is further lowered compared with the previous search for dark matter, with various techniques utilized to suppress the background that emerges from data with the lowered threshold. A blind analysis is performed on the data with an effective exposure of 0.48 tonne$\cdot$year, and no significant excess of events is observed. Among results obtained using the neutrino-nucleus coherent scattering, our results give the best constraint on the solar $^8$B neutrino flux. We further provide a more stringent limit on the cross section between dark matter and nucleon in the mass range from 3 to 9 GeV/c$^2$.

研究动机与目标

• 在液态氙时间投影室中利用相干弹性中微子-核子散射（CE$ν$NS）搜索太阳$^8$B中微子。
• 实现低能阈并抑制随机本底，以增强对低能中微子相互作用的探测灵敏度。
• 基于0.48吨·年的曝光量，设定通过CE$ν$NS测量太阳$^8$B中微子通量的最严格上限。
• 约束3–9 GeV/c²质量范围内自旋无关型暗物质-核子散射截面。

提出的方法

• 开发了一种基于数据的波形模拟（WS），用于建模S1和S2脉冲，包括光电倍增管后脉冲、延迟电子、光致电离以及虚假S1信号。
• S1波形从中子标定数据中采样，电荷范围为20–80 PE，与感兴趣区域（ROI）中的宽度分布相匹配。
• S2波形通过单电子波形重建，径向展宽参数经调整以匹配实测的$σ_{\textrm{pos}}$分布。
• 通过匹配数据中$S2$宽度与漂移时间的关系，将纵向扩散系数$D$标定为28 cm²/s。
• 通过注入随机1毫秒波形以及基于数据分析得到的延迟$S2$信号，对噪声和余晖效应进行建模。
• 使用高纯度模拟事例训练提升决策树（BDT）算法，以优化信号区域选择并提高本底抑制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳$^8$B中微子能否在液态氙TPC中通过相干弹性中微子-核子散射（CE$ν$NS）被探测到？
• RQ2 在PandaX-4T实验中，通过优化数据选择，CE$ν$NS探测的最低可实现能阈是多少？
• RQ3 能否有效抑制随机和仪器本底，以增强对低能中微子信号的探测灵敏度？
• RQ4 本分析对太阳$^8$B中微子通量和自旋无关型暗物质-核子散射截面的约束结果如何？

主要发现

• 在信号区域内未观测到显著过量，从而设定了迄今为止通过CE$ν$NS测量太阳$^8$B中微子通量的最强上限。
• 在90%置信水平下，太阳$^8$B中微子通量的上限为1.2 × 10⁵ cm⁻²s⁻¹，相比先前限制提高了30%。
• 建立了对自旋无关型暗物质-核子散射截面的新约束，在90%置信水平下，对于6 GeV/c²质量的暗物质，其截面为1.3 × 10⁻⁴³ cm²。
• 本分析实现了1.5 keVee的创纪录最低能阈，得益于优化的脉冲波形重建和波形模拟。
• 波形模拟准确再现了关键可观测量：S1宽度、$σ_{\textrm{pos}}$和S2宽度，与统计不确定性范围内的测量结果一致。
• 引入噪声模型（包括后脉冲和延迟$S2$信号）显著改善了本底建模和信号效率估计。