[论文解读] Search for dark matter annual modulation with DarkSide-50

The DarkSide- Collaboration, P. Agnes+143 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用DarkSide-50液氩时间投影室，搜索暗物质相互作用的年周期调制，分析能量范围为2.0–6.0 keVee，并首次将探测阈值延伸至0.04 keVee。未观测到显著的调制信号，从而对暗物质散射截面设定了严格限制，并证明了该探测器在后续实验中具备低阈值和高稳定性。

ABSTRACT

Dark matter induced event rate in an Earth-based detector is predicted to show an annual modulation as a result of the Earth's orbital motion around the Sun. We searched for this modulation signature using the ionization signal of the DarkSide-50 liquid argon time projection chamber. No significant signature compatible with dark matter is observed in the electron recoil equivalent energy range above $40~{ m eV_{ee}}$, the lowest threshold ever achieved in such a search.

研究动机与目标

• 利用DarkSide-50液氩时间投影室，搜索暗物质事件率中的年周期调制。
• 将探测能量区域延伸至0.04 keVee，这是迄今为止任何年周期调制搜索中达到的最低阈值。
• 通过在相同能量窗口内进行搜索，检验DAMA/LIBRA信号与暗物质起源的相容性。
• 评估探测器在近三 年稳定运行期间的灵敏度与本底建模性能。
• 证明双相液氩技术在未来的更大规模暗物质调制搜索中的可行性。

提出的方法

• 在接近三年的连续运行期间，获取DarkSide-50探测器的数据。
• 采用对时间依赖事件率的详细拟合，对放射性衰变及其他已知本底源进行本底建模。
• 在本底扣除后的数据残差中应用Lomb-Scargle周期图分析，以搜索正弦调制信号。
• 将本底拟合中的不确定性传播至数据误差中，以确保显著性估计的稳健性。
• 使用自助法（Bootstrap）计算误报概率，并评估任何检测到的正弦信号的显著性。
• 通过在1000个伪实验中注入模拟的年周期调制信号，评估灵敏度，确定中位1σ显著性阈值为0.03 counts/(d·kg·keV)。

Figure 1: Temporal evolution of the observed event rates for $34\text{\,}\mathrm{\mbox{$e^{-}$}}\text{/}$ (corresponding to $0.040.06\text{\,}\mathrm{\mbox{keV${}_{{\rm ee}}$}}\text{/}$ ), $441\text{\,}\mathrm{\mbox{$e^{-}$}}\text{/}$ ( $0.062.0\text{\,}\mathrm{\mbox{keV${}_{{\rm ee}}$}}\text{/}$ ),

实验结果

研究问题

• RQ1 在2.0–6.0 keVee能量范围内，是否存在与暗物质散射一致的事件率年周期调制证据？
• RQ2 DarkSide-50实验能否在低于1 keVee的能量区域探测到调制信号，从而扩展先前搜索的探测范围？
• RQ3 观测数据是否支持DAMA/LIBRA在相同能量窗口内报告的年周期调制信号？
• RQ4 在本底模型和探测阈值条件下，DarkSide-50探测器对年周期调制信号的灵敏度如何？
• RQ5 该探测器在长期运行中性能是否稳定可靠，适用于此类高灵敏度搜索？

主要发现

• 在所有分析的能量区间中均未观测到显著的年周期调制信号，包括DAMA/LIBRA报告信号的2.0–6.0 keVee范围。
• 本实验实现了0.04 keVee的低能探测阈值，为迄今年周期调制暗物质搜索中达到的最低阈值。
• 分析的灵敏度量化为：对注入的调制信号，中位1σ显著性阈值为0.03 counts/(d·kg·keV)。
• 探测器在近三 年运行中表现出高度稳定性和精确的本底建模能力。
• 未观测到信号，表明DAMA/LIBRA的观测结果在当前显著性水平下无法被确认或排除，但设定了新的约束条件。
• 结果验证了双相液氩TPC技术作为未来更大规模暗物质调制实验的有前景平台，具备更高的曝光量和更强的本底抑制能力。

Figure 2: Best fit parameters in the phase versus amplitude space from the likelihood analysis with the fixed period of $1\text{\,}\mathrm{yr}\text{/}$ . The vertical dotted line represents the phase of the dark matter signal expected from the standard halo model. Also shown are the results from oth