[论文解读] Dark Matter Search Results from 4.2 Tonne-Years of Exposure of the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment

J. Aalbers, D. S. Akerib+216 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

LZ 实验分析 4.2 吨·年暴露量以搜索 WIMP 引起的核反冲，未发现高于背景的信号，并对 SI 与 SD WIMP-核子截面设定全球领先的约束。

ABSTRACT

We report results of a search for nuclear recoils induced by weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter using the LUX-ZEPLIN (LZ) two-phase xenon time projection chamber. This analysis uses a total exposure of $4.2\pm0.1$ tonne-years from 280 live days of LZ operation, of which $3.3\pm0.1$ tonne-years and 220 live days are new. A technique to actively tag background electronic recoils from $^{214}$Pb $β$ decays is featured for the first time. Enhanced electron-ion recombination is observed in two-neutrino double electron capture decays of $^{124}$Xe, representing a noteworthy new background. After removal of artificial signal-like events injected into the data set to mitigate analyzer bias, we find no evidence for an excess over expected backgrounds. World-leading constraints are placed on spin-independent (SI) and spin-dependent WIMP-nucleon cross sections for masses $\geq$9 GeV/$c^2$. The strongest SI exclusion set is $2.2 imes10^{-48}$ cm$^{2}$ at the 90% confidence level and the best SI median sensitivity achieved is $5.1 imes10^{-48}$ cm$^{2}$, both for a mass of 40 GeV/$c^2$.

研究动机与目标

• 在地下环境中使用大型两相氙气 TPC 来探索 WIMP 暗物质的可能性。
• 测量核反冲候选事件并抑制背景，以揭示或约束 WIMP 信号。
• 提供在自旋无关和自旋相关的 WIMP-核子相互作用方面的世界领先极限。
• 开发并应用背景标记和探测器响应校正以最大化灵敏度。

提出的方法

• 使用一个 7 吨活性 LXe 两相 TPC 来检测相互作用产生的 S1 和 S2 信号。
• 通过 S2/S1 比值区分 ER 与 NR，并要求在定义的 fiducial 体积内发生单次散射事件。
• 应用迅速与延迟的致盲切除，结合 Skin 和 OD 探测器来抑制外部与中子背景。
• 用氚、DD 中子、AmLi 来源，以及注入同位素进行校准以建模 ER 与 NR 区间及探测器增益（g1、g2）。
• 在 (S1c, log10(S2c)) 空间定义一个 WIMP ROI，设定特定的 S1 与 S2 阈值以最小化 CEvNS 敏感性。
• 结合氡标记和 LXe 流动建模来绘制并减轻背景，并移除人为注入的事件以防止偏倚。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 4.2 吨·年 LZ 数据下，可以排除 WIMP 参数空间的哪些区域（质量和截面）？
• RQ2 背景标记和致盲策略（包括氡标记）在降低 ER 与中子背景方面有多有效？
• RQ3 对于质量超过约 9 GeV/c^2 的情况，得到的自旋无关和自旋相关 WIMP-核子截面约束如何？
• RQ4 对于探测器标定（g1、g2）和 NR/ER 区间建模与数据的一致性有多接近以确保稳健极限？

主要发现

• 在所有切除后未发现超出预期背景的证据。
• 在质量为 36 GeV/c^2 时，最强自旋无关排除为 2.1e-48 cm^2 (90% CL)。
• 达到的自旋无关中位灵敏度最佳为 5.0e-48 cm^2，质量为 40 GeV/c^2。
• 暴露量相当于 4.2 ± 0.1 吨·年，其中包含 3.3 ± 0.1 吨·年以及 220 天的新数据。
• 该分析展示了对于质量 ≥ 9 GeV/c^2 的 SI 与 SD WIMP-核子截面的世界领先约束。