[论文解读] Exotic dark matter search with the Majorana Demonstrator

I. J. Arnquist, F. T. Avignone+57 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文利用高纯锗探测器阵列Majorana Demonstrator的低能数据，对奇异暗物质提出了新的实验限制。通过使用轮廓似然法分析1–100 keV能量范围内的稀有能峰，该研究在锗中对赝标量和矢量玻色子型暗物质设定了迄今为止最灵敏的约束，其上限分别为17.28 keV处的 $ g_{ae} < 1.425 \times 10^{-13} $ 和2.29 keV处的 $ \alpha' / \alpha < 2.414 \times 10^{-30} $，尽管探测器活性质量小于氙实验，但其结果仍超越了以往基于锗的限制。

ABSTRACT

With excellent energy resolution and ultra-low level radiogenic backgrounds, the high-purity germanium detectors in the Majorana Demonstrator enable searches for several classes of exotic dark matter (DM) models. In this work, we report new experimental limits on keV-scale sterile neutrino DM via the transition magnetic moment from conversion to active neutrinos, $ν_s ightarrow ν_a$. We report new limits on fermionic dark matter absorption ($χ+ A ightarrow ν+ A$) and sub-GeV DM-nucleus 3$ ightarrow$2 scattering ($χ+ χ+ A ightarrow ϕ+ A$), and new exclusion limits for bosonic dark matter (axionlike particles and dark photons). These searches utilize the (1--100)-keV low energy region of a 37.5-kg y exposure collected by the Demonstrator between May 2016 and November 2019, using a set of $^{76}$Ge-enriched detectors whose surface exposure time was carefully controlled, resulting in extremely low levels of cosmogenic activation.

研究动机与目标

• 通过高纯锗探测器中稀有非弹性散射事件搜索亚GeV量级暗物质。
• 利用Majorana Demonstrator的低能数据，对赝标量（轴子样）和矢量（暗光子）玻色子型暗物质设定新的实验限制。
• 通过降低能量阈值并控制表面暴露时间，提升keV量级能量区域的探测灵敏度。
• 检验keV量级惰性中微子型暗物质是否能解释XENON1T实验中观测到的过量信号，发现其所需的跃迁磁矩过低。

提出的方法

• 采用90%置信水平的轮廓似然法，对1–100 keV能量范围内稀有能峰的计数设定上限。
• 分析聚焦于亚GeV量级暗物质的非弹性费米子型暗物质吸收过程（χ + A → ν + A）及3 → 2散射过程。
• 对于赝标量暗物质，利用观测到的事件率和探测器曝光时间约束耦合常数 $ g_{ae} $。
• 对于矢量暗物质（暗光子），通过通量与截面乘积公式 $ \Phi_{DM} \sigma_{ve} = \frac{4 \times 10^{23}}{m_\chi} \left( \frac{\alpha'}{\alpha} \right) \frac{\sigma_{pe}(m_\chi)}{A} $ 推导出动能混合参数 $ \kappa^2 = \alpha' / \alpha $。
• 与先前分析相比，能量阈值降低了五倍，显著提升了低能区域的探测灵敏度。
• 通过精确控制表面暴露时间，最大限度减少本底贡献，提升统计灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Majorana Demonstrator能否在keV能量范围内通过轴子-电子耦合探测到亚GeV量级的赝标量暗物质？
• RQ2 锗探测器中矢量玻色子型暗物质（暗光子）的最紧实验限制是什么？
• RQ3 若keV量级惰性中微子为暗物质，其在活性与惰性中微子之间的跃迁磁矩是否足以解释XENON1T实验中的过量信号？
• RQ4 本项基于锗的实验结果与大规模氙实验的限制相比如何？
• RQ5 在亚GeV量级，非弹性费米子型暗物质吸收过程（χ + A → ν + A）能否被排除或受到约束？

主要发现

• Majorana Demonstrator在17.28 keV处对赝标量轴子-电子耦合常数设定了新的上限 $ g_{ae} < 1.425 \times 10^{-13} $，为迄今任何锗实验中最为严格的约束。
• 在最低能量点，于2.64 keV处获得 $ g_{ae} < 1.542 \times 10^{-13} $ 的限制，证明了在低能区域灵敏度的显著提升。
• 该实验在2.29 keV处确立了 $ \alpha' / \alpha < 2.414 \times 10^{-30} $ 的最佳上限，为迄今基于锗探测器搜索中最为灵敏的结果。
• 该分析排除了keV量级惰性中微子型暗物质（其跃迁磁矩足以解释XENON1T过量信号）作为观测信号来源的可能性。
• 研究证实，尽管Majorana Demonstrator在能量阈值和曝光控制方面有所改进，但氙基实验仍因更大的活性质量而获得更紧的限制。
• 结果表明，未来如LEGEND这类吨级 $ \beta\beta(0\nu) $ 实验，若实现10吨年曝光，有望显著超越当前限制。