[论文解读] New limits on bosonic dark matter, solar axions, Pauli Exclusion Principle violation, and electron decay from the low-energy spectrum of the MAJORANA DEMONSTRATOR

N. Abgrall, I. J. Arnquist+65 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究利用来自MAJORANA DEMONSTRATOR的478 kg·d数据，对keV量级的玻色子暗物质、太阳轴子以及稀有电子过程设定了新极限。该研究建立了迄今为止最严格的轴子-电子耦合限制（11.8 keV轴子的g_Ae < 4.5 × 10⁻¹³），以及电子衰变限制（τ_e > 1.2 × 10²⁴ y），同时探测了泡利不相容原理的破坏以及矢量暗物质的相互作用。

ABSTRACT

The existence of cosmic dark matter (DM) is well established but its exact nature has yet to be determined. Stringent limits on weakly interacting massive particle (WIMP) DM candidates motivate alternative models. We present results for searches of keV-scale pseudoscalar and vector dark matter using 478 kg d of commissioning data from the MAJORANA DEMONSTRATOR (MJD), a Ge-based neutrinoless double-beta decay experiment operating in the Sanford Underground Research Facility. We did not detect a positive dark matter signal, and a 90\\% upper confidence interval on the electron DM coupling was estimated. Our most stringent limit on DM coupling was set for axion-like particles of mass 11.8 keV with g$_{Ae} &lt;$ 4.5 $\ imes 10^{-13}$, and $\\frac{\\alpha'}{\\alpha} &lt; 9.7 \ imes 10^{-28}$ for vector DM. We also report limits from additional rare-event searches, including 14.4~keV solar axions and Pauli Exclusion Principle violating electron transitions. An upper limit of $g_{AN}^{eff} \ imes g_{Ae} &lt; 3.8 \ imes 10^{-17}$ was found for the solar axion coupling; a limit on the strength of a non-Paulian transition in Ge of $\\frac{1}{2}\\beta^2 &lt; 8.5\ imes10^{-48}$ was set, and a limit of $\ au_e &gt; 1.2 \ imes 10^{24}$ y for $e^- \ ightarrow \ u\\bar{\ u}\ u$ was found at the 90% confidence level.

研究动机与目标

• 利用MAJORANA DEMONSTRATOR的低能谱，搜索keV量级的赝标量和矢量暗物质。
• 约束轴子样粒子与电子和核子的耦合，特别是太阳轴子的耦合。
• 通过在锗中搜索禁戒电子跃迁，检验泡利不相容原理的有效性。
• 对电子衰变至夸克-反夸克对的过程设定限制，以探测标准模型之外的基本对称性。
• 通过在低本底环境中使用高纯度锗探测器，提升对稀有过程的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用位于桑福德地下研究设施的MAJORANA DEMONSTRATOR高纯度锗探测器阵列所获取的478 kg·d调试数据。
• 分析低能谱，以搜索可能指示暗物质或稀有粒子衰变的单能或窄线信号。
• 应用能量阈值和本底抑制技术，从电子反冲事例中分离潜在信号。
• 采用基于似然的统计方法，对耦合常数和衰变速率设定90%置信水平的上限。
• 结合轴子-电子和轴子-核子耦合的理论模型，将数据解释为有效耦合强度。
• 通过包含β²的参数化矩阵元建模非泡利允许的电子跃迁，其约束来自谱形和事例率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MAJORANA DEMONSTRATOR中，11.8 keV轴子样粒子与电子耦合的上限是多少？
• RQ2 基于观测到的低能谱，矢量暗物质与电子的耦合强度最大可达到多强？
• RQ3 对太阳轴子与核子及电子的有效耦合，可以施加何种约束？
• RQ4 在锗中是否存在泡利不相容原理破坏的电子跃迁的证据？若存在，跃迁强度的上限是多少？
• RQ5 基于未观测到事件，电子衰变过程e⁻ → uūu的电子寿命下限是多少？

主要发现

• 对11.8 keV轴子，建立了迄今为止最严格的轴子-电子耦合限制，90%置信水平下g_Ae < 4.5 × 10⁻¹³。
• 对矢量暗物质与电子的耦合，设定了α′/α < 9.7 × 10⁻²⁸的上限。
• 对太阳轴子，90%置信水平下测得有效耦合乘积g_AN^eff × g_Ae < 3.8 × 10⁻¹⁷。
• 锗中非泡利允许电子跃迁的强度被约束为(1/2)β² < 8.5 × 10⁻⁴⁸。
• 电子衰变过程e⁻ → uūu的寿命下限为1.2 × 10²⁴年（90%置信水平）。
• 在所有稀有事例搜索中均未观测到显著信号，从而得出了对耦合常数和衰变速率的稳健上限。