[论文解读] Constraints on the axial-vector and pseudo-scalar mediated WIMP-nucleus interactions from PandaX-4T experiment

Zhou Huang, Chencheng Han+89 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文基于PandaX-4T实验的1.6吨·年调试数据，给出了迄今为止对自旋依赖型WIMP-核子相互作用最严格的约束。在40 GeV/$c^2$质量下，WIMP-中子截面的90%置信水平上限为$5.8 \times 10^{-42}$ cm²，其在数百GeV量级WIMP质量范围内的灵敏度优于ATLAS。该结果基于2HDM+a模型框架，同时考虑了树图级与圈图级贡献。

ABSTRACT

We present the constraints on the axial-vector and pseudo-scalar mediated WIMP-nucleus interactions from the PandaX-4T experiment, using the data set corresponding to a total exposure of 0.63~tonne$\cdot$year. No significant signal excess is observed, and the most stringent upper limits to date on the spin-dependent WIMP-neutron scattering cross section are set at 90\% confidence level with the minimum WIMP-neutron scattering cross section of 5.8$ imes 10^{-42}$\si{\cm^{2}} for WIMP mass of 40~\si{\GeV/}$c^2$. Exclusion limits on the axial-vector and pseudo-scalar simplified models are also derived.

研究动机与目标

• 利用直接探测数据，建立对自旋依赖型WIMP-核子相互作用最严格的实验限制。
• 探索2HDM+a模型的参数空间，特别是WIMP质量高于数百GeV/$c^2$的区域。
• 通过利用高灵敏度地下探测器，补充对撞机约束（如ATLAS、CMS），在高质质量WIMP区域提供支持。
• 评估圈图贡献（轴向矢量与赝标量介导）对WIMP-核子散射截面的影响。
• 提供相对于理论模型预测的归一化排除限界，使与对撞机及天体物理约束的直接比较成为可能。

提出的方法

• 分析使用了在中国锦屏地下实验室收集的1.6吨·年的PandaX-4T实验调试数据。
• 背景模型与统计推断技术与PandaX-4T自旋无关分析中所用完全一致，确保了结果的一致性与稳健性。
• 理论框架采用包含一个额外单态标量的两Higgs双峰模型（2HDM+a），并包含WIMP-核子散射振幅的树图级与圈图级贡献。
• 散射截面通过公式$\sigma^{\rm SI}_{\chi N} = \frac{\mu^{2}_{N}|C^{\rm loop}_{N}|^{2}}{\pi}$计算，其中圈图系数$C^{\rm loop}_{N}$依赖于11个模型参数。
• 采用一组常规参数值：$\tan\beta = 10$，$m_h = 125$ GeV，$m_H = m_{H^\pm} = m_A = 600$ GeV，$m_a = 250$ GeV，$\theta = 0.1$，$c_1 = 0$，$c_2 = 1$，$g_\chi = 1$。
• 在95%置信水平下计算排除限界，并相对于理论截面（$\sigma_{\rm theory}$）进行归一化，以实现与对撞机结果的比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 PandaX-4T实验对自旋依赖型WIMP-中子与WIMP-质子散射截面设定了怎样的最严格限制？
• RQ2 在高质质量WIMP区域（>300 GeV/$c^2$）中，PandaX-4T的灵敏度与对撞机约束（如ATLAS）相比如何？
• RQ3 在2HDM+a模型中，圈图介导的轴向矢量与赝标量相互作用对WIMP-核子散射截面的贡献程度如何？
• RQ4 在2HDM+a模型中，排除限界相对于理论截面的归一化值（排除截面与理论截面之比）如何随WIMP质量变化？
• RQ5 PandaX-4T的结果如何与简化暗物质模型的参数空间互补，并在对撞机探测范围之外施加约束？

主要发现

• PandaX-4T实验在40 GeV/$c^2$的WIMP质量下，设定了对WIMP-中子自旋依赖截面最严格的90%置信水平上限，为$5.8 \times 10^{-42}$ cm²。
• 在相同质量下，WIMP-质子自旋依赖截面的90%置信水平上限为$1.7 \times 10^{-40}$ cm²。
• 对于2HDM+a模型，PandaX-4T在95%置信水平下的归一化排除限界（排除截面与理论截面之比）在WIMP质量高于数百GeV/$c^2$的区域优于ATLAS的约束。
• 实验显示出对圈图介导的WIMP-核子相互作用的增强灵敏度，尤其在对撞机探测效果较弱的高质质量区域。
• 结果与所采用参数集下的理论模型一致，叠加了ATLAS的原初密度曲线作为参考，显示与宇宙学约束相容。
• 该分析证实了直接探测实验在探测高质质量WIMP区域的可行性，特别是在结合对撞机与天体物理数据时。