[论文解读] Projected sensitivities of the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment to new physics via low-energy electron recoils

DS Akerib, A. K. Al Musalhi+191 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文通过低能电子反冲，预测了LUX-ZEPLIN（LZ）实验对新物理的探测能力，利用5.6吨年曝光量及<100 keV能区间的超低本底水平，展示了对中微子磁矩、毫电荷中微子、轴子、隐光子、镜像暗物质和轻子偏好暗物质等信号的世界领先灵敏度。

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) is a dark matter detector expected to obtain world-leading sensitivity to weakly interacting massive particles (WIMPs) interacting via nuclear recoils with a ~7-tonne xenon target mass. This manuscript presents sensitivity projections to several low-energy signals of the complementary electron recoil signal type: 1) an effective neutrino magnetic moment and 2) an effective neutrino millicharge, both for pp-chain solar neutrinos, 3) an axion flux generated by the Sun, 4) axion-like particles forming the galactic dark matter, 5) hidden photons, 6) mirror dark matter, and 7) leptophilic dark matter. World-leading sensitivities are expected in each case, a result of the large 5.6t 1000d exposure and low expected rate of electron recoil backgrounds in the <100keV energy regime. A consistent signal generation, background model and profile-likelihood analysis framework is used throughout.

研究动机与目标

• 预测LUX-ZEPLIN（LZ）实验对通过低能电子反冲介导的新物理信号的探测灵敏度。
• 解决通过电子反冲相互作用探测标准模型之外稀有弱相互作用粒子的挑战。
• 利用一致的分析框架，为一系列新物理情景建立世界领先的灵敏度极限。
• 评估LZ的大曝光量和<100 keV能量窗口内低电子反冲本底的影响。

提出的方法

• 利用LZ实验7吨氙靶获得的5.6吨年曝光量，以增强对稀有信号的探测灵敏度。
• 在所有新物理情景中采用一致的信号生成、本底建模和轮廓似然分析框架。
• 预测来自pp链太阳中微子、轴子通量、轴子样粒子、隐光子、镜像暗物质和轻子偏好暗物质的电子反冲信号灵敏度。
• 聚焦于电子反冲本底最小化的<100 keV能量区间，以提升信号可探测性。
• 采用统一的分析方法，比较不同新物理模型之间的灵敏度极限。
• 为每个新物理候选者使用理论模型，计算其在LZ探测器中的预期事例率。

实验结果

研究问题

• RQ1 LZ通过电子反冲相互作用对有效中微子磁矩的预测灵敏度是多少？
• RQ2 在pp链太阳中微子背景下，LZ对具有有效毫电荷中微子存在的探测灵敏度如何？
• RQ3 LZ能否通过电子反冲过程探测到太阳产生的轴子？
• RQ4 LZ通过电子反冲信号对构成银河系暗物质的轴子样粒子可设定何种限制？
• RQ5 通过低能电子反冲，LZ对隐光子和镜像暗物质的预期灵敏度如何？

主要发现

• 由于其大曝光量和电子反冲能区间的低本底水平，LZ在有效中微子磁矩探测方面实现了世界领先的灵敏度。
• 对中微子毫电荷的灵敏度预计为迄今最严格，得益于100 keV以下的低电子反冲本底。
• 该实验有望以前所未有的灵敏度探测太阳轴子通量，超越以往限制。
• LZ将对通过电子反冲探测构成银河系暗物质的轴子样粒子设定迄今最严格的约束。
• 对隐光子和镜像暗物质的灵敏度预计优于或与现有限制相当。
• 由于LZ能量窗口内电子反冲信号占主导，轻子偏好暗物质模型的探测灵敏度将得到显著提升。