[论文解读] Search for hidden-photon Dark Matter with FUNK

Funk Experiment, :+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文利用FUNK实验搜索隐光子暗物质，该实验通过检测隐光子在介质界面与标准光子混合后产生的可见光和近紫外光子来探测。未发现显著信号；在电子伏特至亚电子伏特质量范围内，系统误差主导了灵敏度，因此设定了混合参数χ的初步上限。

ABSTRACT

It has been proposed that an additional U(1) sector of hidden photons could account for the Dark Matter observed in the Universe. When passing through an interface of materials with different dielectric properties, hidden photons can give rise to photons whose wavelengths are related to the mass of the hidden photons. In this contribution we report on measurements covering the visible and near-UV spectrum that were done with a large, 14 m2 spherical metallic mirror and discuss future dark-matter searches in the eV and sub-eV range by application of different electromagnetic radiation detectors.

研究动机与目标

• 检验隐光子（作为暗物质候选者）是否可在介电界面转换为可探测光子的假设。
• 利用大尺寸球形反射镜和低噪声光电倍增管，将暗物质搜索扩展至可见光和近紫外波段。
• 在考虑系统误差的前提下，建立隐光子混合参数χ的初步上限。
• 为未来在兆赫、吉赫和太赫兹频段的搜索奠定基础。

提出的方法

• 使用由36个镜面组成的14 m²球形金属反射镜，聚焦在介电界面处由隐光子转换为光子所产生的光子。
• 采用具有双碱光阴极的低暗电流光电倍增管（PMT）ET9107BQ，在可见光和紫外波段实现高量子效率的单光子探测。
• 将PMT安装在电动线性滑台上，可在反射镜焦点内和焦点外进行位置扫描，以实现差分测量，从而隔离潜在的暗物质信号。
• 使用电动光闸通过对比光闸开启和关闭状态来表征背景，同时利用闪光器系统校准单光电子响应。
• 使用PicoScope 6404D示波器对PMT的数字化信号进行记录，通过脉冲电荷和时间信息识别单光子事件并排除宇宙射线簇射。
• 对电荷谱应用统计筛选，仅保留单光电子事件，单光子选择的估计效率为75%。

实验结果

研究问题

• RQ1 隐光子暗物质是否可通过其在材料界面上转换为可见光和近紫外光子被探测到？
• RQ2 FUNK实验在电子伏特和亚电子伏特质量范围内对隐光子混合参数χ的灵敏度如何？
• RQ3 温度漂移或时间测量不准确等系统效应如何影响潜在暗物质信号的测量？
• RQ4 PMT位置（位于焦点内或焦点外）对观测计数率的影响是什么，这又如何影响信噪比？

主要发现

• 在2017年2月至3月进行的30天测量中未观测到显著过量信号，平均计数率为0.535 Hz。
• 当PMT位于焦点时，光闸开启与关闭状态下的计数率差值为ΔR = 0.0032 ± 0.0014 Hz，被解释为潜在暗物质信号的代理指标。
• 在焦点处与焦点外8 cm处的光闸开启计数率之间观察到约ΔR ≈ 0.025 Hz的系统性差异，表明存在潜在的系统误差。
• 该0.025 Hz的差异被用作系统误差的上限，由此得出χ的初步上限，记为图5中的“FUNK初步（系统）”。
• 在较低质量范围内，统计不确定性主导灵敏度；在较高质量范围内，系统效应占主导，这一趋势在灵敏度曲线中清晰体现。
• 本实验设定了保守的χ初步限制，图5中的灵敏度曲线展示了当前在电子伏特至亚电子伏特范围内的探测能力，未来计划扩展至兆赫至太赫兹波段。