[论文解读] Axionlike particles searches in reactor experiments

D. Aristizábal Sierra, Valentina De Romeri+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 102被引用 5

一句话总结

本文提出利用反应堆中微子实验——特别是专为研究相干弹性中微子-核子散射（CE$ν$NS）而设计的实验——通过轴子样粒子（ALPs）与光子和电子的相互作用来搜寻轴子样粒子。借助强烈的反应堆光子通量和低阈值探测器，该研究展示了对亚MeV能区ALP-光子耦合的敏感性，以及对ALP-电子耦合高达$g_{aee} \sim 10^{-8}$的探测能力，覆盖了当前TEXONO和Borexino实验尚未触及的参数区域。

ABSTRACT

Reactor neutrino experiments provide a rich environment for the study of axionlike particles (ALPs). Using the intense photon flux produced in the nuclear reactor core, these experiments have the potential to probe ALPs with masses below 10 MeV. We explore the feasibility of these searches by considering ALPs produced through Primakoff and Compton-like processes as well as nuclear transitions. These particles can subsequently interact with the material of a nearby detector via inverse Primakoff and inverse Compton-like scatterings, via axio-electric absorption, or they can decay into photon or electron-positron pairs. We demonstrate that reactor-based neutrino experiments have a high potential to test ALP-photon couplings and masses, currently probed only by cosmological and astrophysical observations, thus providing complementary laboratory-based searches. We furthermore show how reactor facilities will be able to test previously unexplored regions in the $\sim$MeV ALP mass range and ALP-electron couplings of the order of $g_{aee} \sim 10^{-8}$ as well as ALP-nucleon couplings of the order of $g_{ann}^{(1)} \sim 10^{-9}$, testing regions beyond TEXONO and Borexino limits.

研究动机与目标

• 探索利用现有及未来的CE$ν$NS设施，在基于反应堆的实验中探测轴子样粒子（ALPs）的可行性。
• 识别可通过基于反应堆的搜寻手段探测到的ALP参数空间新区域——特别是MeV质量范围及弱耦合情况下的区域。
• 证明反应堆实验能够检验目前仅由宇宙学和天体物理学观测约束的ALP耦合。
• 评估低阈值探测器（如Ge和Xe）对通过Primakoff、类Compton及核退激发过程产生ALP的探测灵敏度。
• 将预测的灵敏度与TEXONO、Borexino及天体物理学观测的现有限制进行比较，突出其互补覆盖范围。

提出的方法

• 建模反应堆核心中由强光子通量驱动的Primakoff和类Compton过程产生的ALP。
• 分析逆Primakoff散射、轴子光电效应吸收以及ALP衰变为光子或e$^+$e$^-$对的探测机制。
• 以10 kg锗探测器作为当前及近期CE$ν$NS实验的代表性模型。
• 预测吨级氙探测器的灵敏度，以评估未来能力。
• 计算ALP质量范围1–10$^7$ eV内的90%置信水平（CL）限制。
• 将结果与CAST+SUMICO、SN 1987A、HB恒星及太阳轴子搜寻的现有约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于反应堆的CE$ν$NS实验能否通过ALP-光子和ALP-电子耦合探测到轴子样粒子？
• RQ2 基于反应堆的实验能够探测ALP参数空间的哪些区域——特别是MeV质量范围及弱耦合情况下的区域？
• RQ3 基于反应堆的灵敏度与现有实验室及天体物理学限制相比如何？
• RQ4 反应堆实验在多大程度上能够检验ALP性质的环境依赖性，例如由恒星冷却论证推断的效应？
• RQ5 反应堆核心中的核退激发过程能否作为ALP产生与探测的可行来源？

主要发现

• 反应堆实验可探测约1 MeV质量区间的ALP-光子耦合，该区域目前仅由宇宙学观测约束。
• 灵敏度可延伸至ALP-电子耦合$g_{aee} \sim 10^{-8}$，在5–20×10$^5$ eV质量范围内超越了当前TEXONO和Borexino的限制。
• 实验可探测约$g_{ann}^{(1)} \sim 10^{-9}$量级的ALP-核子耦合，进入此前未探索的参数空间区域。
• 通过核退激发产生的ALP-光子耦合探测，可在0.2–2 MeV范围内优于Borexino和TEXONO的限制。
• ALP衰变及逆过程可探测由SN 1987A和球状星团冷却约束的区域，从而检验环境依赖性。
• 本研究证实，基于反应堆的CE$ν$NS实验由于其现有基础设施和低阈值探测能力，非常适合用于ALP搜寻。