[论文解读] First Indication of Solar $^8$B Neutrino Flux through Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering in PandaX-4T

PandaX Collaboration, Zihao Bo+100 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2024

Atmospheric Ozone and Climate被引用 6

一句话总结

PandaX-4T 实验通过在液态氙中进行 CEvNS 检测太阳 8B 中微子，报告的通量与标准太阳模型一致，且在背景之上有 2.64 σ 的提示。

ABSTRACT

The PandaX-4T liquid xenon detector at the China Jinping Underground Laboratory is used to measure the solar $^8$B neutrino flux by detecting neutrinos through coherent scattering with xenon nuclei. Data samples requiring the coincidence of scintillation and ionization signals (paired), as well as unpaired ionization-only signals (US2), are selected with energy threshold of approximately 1.1 keV (0.33 keV) nuclear recoil energy. Combining the commissioning run and the first science run of PandaX-4T, a total exposure of 1.20 and 1.04 tonne$\cdot$year are collected for the paired and US2, respectively. After unblinding, 3 and 332 events are observed with an expectation of 2.8$\pm$0.5 and 251$\pm$32 background events, for the paired and US2 data, respectively. A combined analysis yields a best-fit $^8$B neutrino signal of 3.5 (75) events from the paired (US2) data sample, with $\sim$37\% uncertainty, and the background-only hypothesis is disfavored at 2.64$σ$ significance. This gives a solar $^8$B neutrino flux of ($8.4\pm3.1$)$ imes$10$^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$, consistent with the standard solar model prediction. It is also the first indication of solar $^8$B neutrino ``fog'' in a dark matter direct detection experiment.

研究动机与目标

• 在大体积液态氙探测器中利用 CEvNS 测量太阳 8B 中微子通量的动机。
• 展示在 PandaX-4T 中实现低阈值 CEvNS 探测的可行性。
• 结合多条数据流（成对的 S1-S2 和未成对的 US2）以提升灵敏度。
• 表征背景（AC、阴极、微放电、ER）以提取潜在的 8B 信号。
• 将测得的通量与标准太阳模型预测进行比较。

提出的方法

• 使用含 3.7 吨氙的双相液态氙 TPC，并具备特定的 S1/S2 信号要求。
• 分析两类数据：成对的 S1-S2 事件和未成对的 S2-only（US2）事件。
• 定义感兴趣区域（ROI），核反冲能量阈值为 1.1 keV（成对）和 0.33 keV（US2）。
• 对背景进行建模，包括意外相关、阴极、微放电和 ER；用窗口外数据和侧带数据进行验证。
• 应用双边轮廓似然比来结合成对数据和 US2 数据以提取信号。
• 实现提升的增强决策树以提高 AC 背景拒绝并优化 ROI。

Figure 1: All components of 8 B candidate selection efficiency for the paired (solid) and US2 (dashed) data: green=data selection, blue=signal reconstruction, ROI=cyan, magenta=BDT, black=total. 8 B CE $\nu$ NS signal spectrum is overlaid in gray with the scale indicated on the right axis. If using

实验结果

研究问题

• RQ1 PCan solar 8B 中微子 CEvNS 能否在未来多吨级液态氙 DM 探测器如 PandaX-4T 中被探测？
• RQ2 来自 PandaX-4T Run0 和 Run1 数据的推断太阳 8B CEvNS 中微子通量是多少？
• RQ3 背景（AC、阴极、MD、ER）如何影响成对数据和 US2 数据中 CEvNS 信号的提取？
• RQ4 测得的通量是否与在不确定性范围内的标准太阳模型预测一致？

主要发现

• 综合分析得到最佳拟合的 8B CEvNS 信号为 3.5 (75) 个事件来自成对数据，US2 中为 332 个事件，对仅背景的假设在 2.64 σ 上被排斥。
• 推断的太阳 8B 中微子通量为 (8.4 ± 3.1) × 10^6 cm^-2 s^-1。
• 背景已以具体期望值和不确定性量化，使在两条数据通道中能够提取 CEvNS 信号。
• 结果与太阳 8B 通量的标准太阳模型预测一致。

Figure 2: Unblinded US2 data within (black) and outside (gray) the FV black (within FV). The magenta and blue circles correspond to Run0 and Run1 FV circle cuts, respectively, and the green circle represents an additional cylinder cut in Run1 due to dysfunctional PMTs.