[论文解读] Search for low-mass dark matter WIMPs with 12 ton-day exposure of DarkSide-50

Collaboration, The DarkSide-50, I. F. M. Albuquerque+142 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本论文利用在格兰萨索国家实验室运行的DarkSide-50实验获得的12吨天数据，搜索质量低于10 GeV/c²的轻质量WIMPs。通过改进探测器标定、本底建模和系统误差估计，该分析在3 GeV/c²处将自旋无关WIMP-核子截面的90%置信水平排除极限设定为6×10⁻⁴³ cm²，相比以往结果提升了10倍，并将1.2–3.6 GeV/c²质量范围内的排除区域进一步扩展。

ABSTRACT

We report on the search for dark matter WIMPs in the mass range below 10 GeV/c$^2$, from the analysis of the entire dataset acquired with a low-radioactivity argon target by the DarkSide-50 experiment at LNGS. The new analysis benefits from more accurate calibration of the detector response, improved background model, and better determination of systematic uncertainties, allowing us to accurately model the background rate and spectra down to 0.06 keV$_{er}$. A 90% C.L. exclusion limit for the spin-independent cross section of 3 GeV/c$^2$ mass WIMP on nucleons is set at 6$ imes$10$^{-43}$ cm$^2$, about a factor 10 better than the previous DarkSide-50 limit. This analysis extends the exclusion region for spin-independent dark matter interactions below the current experimental constraints in the $[1.2, 3.6]$ GeV/c$^2$ WIMP mass range.

研究动机与目标

• 利用DarkSide-50实验搜索质量低于10 GeV/c²的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。
• 通过减少系统误差并改进本底建模，提升对低质量WIMPs的探测灵敏度。
• 在1.2–3.6 GeV/c²质量范围内，扩展自旋无关WIMP-核子相互作用的排除区域。
• 实现对探测器响应在0.06 keV电子等效反冲能量（keVee）以下的更精确测定。

提出的方法

• 该分析使用了在格兰萨索国家实验室运行的DarkSide-50双相氩时间投影室（TPC）获得的12吨天曝光量数据。
• 探测器响应的改进标定使得能量刻度和光产额在0.06 keVee以下也能实现精确建模。
• 优化的本底模型考虑了残余放射性本底，包括⁴²K、²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl，其能谱形状和产生率的精度得到提升。
• 通过专用标定运行和改进的探测器模拟，重新评估了系统误差。
• 统计分析采用轮廓似然法，背景模型在全能量范围内均经过验证。
• 排除极限通过频次学方法计算，置信水平为90%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在12吨天曝光量下，DarkSide-50实验对质量低于10 GeV/c²的低质量WIMPs的探测灵敏度如何？
• RQ2 改进的标定和本底建模如何影响低能WIMP探测中的探测阈值和系统误差？
• RQ3 在WIMP质量为3 GeV/c²时，自旋无关WIMP-核子截面的新90%置信水平排除极限是多少？
• RQ4 与以往结果相比，新分析在1.2–3.6 GeV/c² WIMP质量范围内将排除区域扩展了多少？

主要发现

• 该分析在WIMP质量为3 GeV/c²时，设定了自旋无关WIMP-核子截面90%置信水平的排除极限为6×10⁻⁴³ cm²。
• 该极限相比此前DarkSide-50在相同质量点的结果提升了10倍。
• 探测器响应已能精确建模至0.06 keVee，使低能核反冲的敏感分析成为可能。
• 在1.2–3.6 GeV/c²的WIMP质量范围内，排除区域得到扩展，覆盖了此前未探索的参数空间。
• 改进的本底模型降低了低能区的不确定性，增强了对轻质量WIMPs的探测灵敏度。
• 结果表明，液氩TPC具备以高精度探测低质量WIMP前沿的能力。