[论文解读] Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T

E. Aprile, J. Aalbers+137 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 78

一句话总结

XENON1T 在低于 7 keV 的电子反冲事件中观测到一个过剩，其 3.5σ 显著性归因于太阳轴子，对中微子磁矩的偏好为 3.2σ。数据还支持一个 2.3 keV 的单能暗物质峰，全局显著性为 3.0σ，这是迄今为止对 1–210 keV/c² 之间赝标量和矢量玻色子暗物质最严格的约束。

ABSTRACT

We report results from searches for new physics with low-energy electronic recoil data recorded with the XENON1T detector, with an exposure of 0.65 t-y and an unprecedentedly low background rate of $76 \pm 2_{stat}$ events/(t y keV) between 1-30 keV. An excess over known backgrounds is observed below 7 keV, rising towards lower energies and prominent between 2-3 keV. The solar axion model has a 3.5$\sigma$ significance, and a three-dimensional 90% confidence surface is reported for axion couplings to electrons, photons, and nucleons. This surface is inscribed in the cuboid defined by $g_{ae} < 3.7 imes 10^{-12}$, $g_{ae}g_{an}^{eff} < 4.6 imes 10^{-18}$, and $g_{ae}g_{a\gamma} < 7.6 imes10^{-22}~{GeV}^{-1}$, and excludes either $g_{ae}=0$ or $g_{ae}g_{a\gamma}=g_{ae}g_{an}^{eff}=0$. The neutrino magnetic moment signal is similarly favored over background at 3.2$\sigma$ and a confidence interval of $\mu_{ u} \in (1.4,~2.9) imes10^{-11}\mu_B$ (90% C.L.) is reported. Both results are in strong tension with stellar constraints. The excess can also be explained by $\beta$ decays of tritium at 3.2$\sigma$ significance with a corresponding tritium concentration in xenon of $(6.2 \pm 2.0) imes 10^{-25}$ mol/mol. Such a trace amount can be neither confirmed nor excluded with current knowledge of production and reduction mechanisms. The significances of the solar axion and neutrino magnetic moment hypotheses are decreased to 2.1$\sigma$ and 0.9$\sigma$, respectively, if an unconstrained tritium component is included in the fitting. With respect to bosonic dark matter, the excess favors a monoenergetic peak at ($2.3 \pm 0.2$) keV (68% C.L.) with a 3.0$\sigma$ global (4.0$\sigma$ local) significance over background. This analysis sets the most restrictive direct constraints to date on pseudoscalar and vector bosonic dark matter for most masses between 1 and 210 keV/c$^2$.

研究动机与目标

• 在 XENON1T 实验的 0.65 t-y 暴露量下，搜索低能电子反冲数据中的新物理。
• 调查在 7 keV 以下观测到的事件过剩（特别是 2–3 keV 范围）的起源，尤其是相对于已知背景。
• 约束轴子与电子、光子和核子的耦合，以及中微子磁矩和潜在的氚污染。
• 评估产生约 2.3 keV 单能峰的玻色子暗物质候选者的可行性。
• 评估观测信号与恒星能量损失约束以及氙中氚生成机制的相容性。

提出的方法

• 分析 XENON1T 探测器在 1–30 keV 范围内背景率为 76 ± 2 事件/(t·y·keV) 的 0.65 t-y 低能电子反冲数据。
• 使用太阳轴子、中微子磁矩、氚 β 衰变和单能暗物质组分的模型拟合观测能量谱。
• 构建轴子耦合的三维 90% 置信度表面：$g_{ae}$、$g_{ae}g_{an}^{eff}$ 和 $g_{ae}g_{a heta}$，受数据约束。
• 在拟合中将氚浓度作为自由参数，以评估其对显著性和置信区间的影响力。
• 使用轮廓似然法计算局部和全局显著性，包括 68% 和 90% 置信区间。
• 将信号假设与恒星约束进行比较，以评估天体物理相容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 XENON1T 在 7 keV 以下观测到的电子反冲事件过剩（特别是 2–3 keV 范围）是由什么引起的？
• RQ2 该过剩在多大程度上可由太阳轴子、中微子磁矩或氚 β 衰变解释？
• RQ3 基于此数据，轴子与电子、光子和核子耦合的最严格约束是什么？
• RQ4 该过剩是否可解释为质量约为 2.3 keV 的单能玻色子暗物质信号？
• RQ5 恒星能量损失约束如何影响所提出解释过剩的可行性？

主要发现

• 在 2–3 keV 范围内观测到 3.5σ 的过剩，最可能由太阳轴子解释，90% 置信度区域位于由 $g_{ae} < 3.7 \times 10^{-12}$、$g_{ae}g_{an}^{eff} < 4.6 \times 10^{-18}$ 和 $g_{ae}g_{a heta} < 7.6 \times 10^{-22}~\text{GeV}^{-1}$ 定义的长方体内部。
• 中微子磁矩假设相对于背景具有 3.2σ 的偏好，90% 置信区间为 $\mu_{\nu} \in (1.4,~2.9) \times 10^{-11}\mu_B$。
• 该过剩可在 3.2σ 显著性下由氚 β 衰变解释，对应于氙中氚浓度为 $(6.2 \pm 2.0) \times 10^{-25}$ mol/mol。
• 当氚被纳入自由参数时，轴子和中微子磁矩假设的显著性分别下降至 2.1σ 和 0.9σ。
• 在 $2.3 \pm 0.2$ keV 处的单能暗物质峰被支持，相对于背景具有 3.0σ 全局显著性和 4.0σ 局部显著性。
• 该分析对质量在 1 至 210 keV/c² 之间的赝标量和矢量玻色子暗物质设定了迄今为止最严格的直接约束。