[论文解读] Search for the Migdal effect in liquid xenon with keV-level nuclear recoils

Jing Xu, Duncan Adams+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究首次通过使用来自标记14.1 MeV中子散射的keV量级核 recoil，直接实验搜索液态氙中的Migdal效应。尽管本底率较低，但未观测到显著信号，表明Migdal电离速率可能存在高估，或液态氙中电子-离子复合增强，这对低质量暗物质探测灵敏度具有影响。

ABSTRACT

The Migdal effect predicts that a nuclear recoil interaction can be accompanied by atomic ionization, allowing many dark matter direct detection experiments to gain sensitivity to sub-GeV masses. We report the first direct search for the Migdal effect for M- and L-shell electrons in liquid xenon using 7.0$\pm$1.6 keV nuclear recoils produced by tagged neutron scatters. Despite an observed background rate lower than that of expected signals in the region of interest, we do not observe a signal consistent with predictions. We discuss possible explanations, including inaccurate predictions for either the Migdal rate or the signal response in liquid xenon. We comment on the implications for direct dark-matter searches and future Migdal characterization efforts.

研究动机与目标

• 直接检验Migdal效应在液态氙中的存在，其中核 recoil 引发原子电离并产生后续电子 recoil。
• 评估Migdal效应作为双相氙时间投影室中亚GeV暗物质探测机制的可行性。
• 在未观测到信号的背景下，评估当前理论预测的液态氙中Migdal电离速率是否准确。
• 研究液态氙中电子-离子复合增强是否可能抑制Migdal事件中可探测的电离信号。
• 为未来液态氙探测器中Migdal效应的表征建立低本底实验基线。

提出的方法

• 使用紧凑型双相氙时间投影室（TPC）探测核 recoil 的闪烁光（S1）和电离信号（S2）。
• 采用标记14.1 MeV中子产生具有已知运动学参数的keV量级核 recoil，实现对反冲能量和角度的精确重建。
• 选取核 recoil 能量为 $7.0 \pm 1.6\ \text{keV}$ 的事例，以靶向Migdal电离预计产生可观测电子 recoil 信号的能区。
• 执行S1-S2区分以分离电子 recoil（ER）信号与核 recoil（NR）本底，重点关注Migdal诱导ER的感兴趣区域（ROI）。
• 使用Ibe等人（2018）和Adams等人（2023）的理论模型计算预期的Migdal信号率，结合原子数据和电子壳层电离概率。
• 量化来自中子多次散射（NMS）和潜在堆积（PS）的本底贡献，结果均低于0.1个计数。

实验结果

研究问题

• RQ1 当由keV量级核 recoil 引发时，Migdal效应是否在液态氙中产生可探测的电子 recoil 信号？
• RQ2 当前理论预测的液态氙中Migdal电离速率是否与实验观测一致？
• RQ3 液态氙中电子-离子复合增强是否可能抑制Migdal事件的电离信号，从而导致尽管存在该效应但未观测到信号？
• RQ4 核 recoil 与电子 recoil 轨迹之间的接近程度如何影响液态氙中信号探测效率？
• RQ5 通过重新评估Migdal速率或探测器响应函数，是否可以解决预测与观测信号率之间的张力？

主要发现

• 在感兴趣区域（ROI）未观测到显著信号，测得本底率为 $0.9 \pm 0.9$ 个计数，远低于预期信号率。
• 观测到的信噪比（SNR）超过1，表明理论预测与实验数据之间存在张力，尽管统计量较低限制了统计功效。
• 中子多次散射（NMS）和堆积（PS）的本底贡献估计均低于0.1个计数，证实了实验的低本底能力。
• 无信号结果表明，液态氙中预测的Migdal电离速率可能被高估，或复合效应抑制了可探测的电离信号。
• Migdal事件中核 recoil 与电子 recoil 轨迹的接近可能增强复合，导致S2信号相比孤立电子 recoil 减少多达两倍。
• 本研究为未来Migdal效应表征建立了关键的实验基准，强调了对液态氙中复合过程进行第一性原理模拟的必要性。