[论文解读] Solar Kaluza-Klein axion search with NEWS-G

collaboration, NEWS-G, :+41 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 71被引用 12

一句话总结

本文利用NEWS-G实验的球形正比计数器，首次直接搜索太阳Kaluza-Klein（KK）轴子——额外维理论中的假设性大质量轴子激发态。通过探测地球附近被捕获的KK轴子的双光子衰变信号，该研究在90%置信水平下设定了新的世界领先上限：$ g_{a\gamma\gamma} < 8.99 \times 10^{-13} \, \text{GeV}^{-1} $，相比以往直接约束提高了五倍。

ABSTRACT

Kaluza-Klein (KK) axions appear in theories with extra dimensions as higher mass, significantly shorter lifetime, excitations of the Peccei-Quinn axion. When produced in the Sun, they would remain gravitationally trapped in the solar system, and their decay to a pair of photons could provide an explanation of the solar corona heating problem. A low-density detector would discriminate such a signal from the background, by identifying the separation of the interaction point of the two photons. The NEWS-G collaboration uses large volume Spherical Proportional Counters, gas-filled metallic spheres with a spherical anode in their centre. After observation of a single axionlike event in a 42 day long run with the SEDINE detector, a $90\%$ C.L. upper limit of $g_{a\gamma\gamma}<8.99\cdot10^{-13}\,GeV^{-1}$ is set on the axion-photon coupling for a KK axion density on Earth of $n_{a}=4.07\cdot10^{13}\,m^{-3}$ and two extra dimensions of size $R = 1\,eV^{-1}$.

研究动机与目标

• 检验Kaluza-Klein轴子在太阳中产生并在太阳系中被引力捕获后，是否可能解释太阳日冕加热点问题的假设。
• 直接利用气态探测器探测地球上的这些被捕获KK轴子的双光子衰变信号。
• 通过利用球形正比计数器独特的本底抑制能力，改进现有轴子-光子耦合的直接约束。
• 在特定模型假设下（$ n_a = 4.07 \times 10^{13} \, \text{m}^{-3} $ 且 $ R = 1 \, \text{eV}^{-1} $，共两个额外维度），为轴子-光子耦合强度 $ g_{a\gamma\gamma} $ 设定基准限制。

提出的方法

• 利用球形正比计数器（SPCs）探测轴子衰变产生的两个背对背的光子，SPCs为带中心阳极的金属球体，内部充满气体。
• 采用脉冲处理技术，识别具有两个幅度相等、时间间隔固定的脉冲的双光子事例。
• 利用 55Fe 和 37Ar 校准源对能量和空间分辨率进行修正，以模拟 2–22 keV 范围内的探测器响应。
• 通过选择具有特定脉冲形状和时间特性的事例，实现严格的本底抑制（99.99%）。
• 在皇后大学使用直径为60 cm的 SEDINE 探测器进行了为期42天的数据采集，以搜索轴子衰变事例。
• 通过模拟预测探测效率和本底水平，并利用 55Fe 诱导的氩荧光对结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用具有高本底抑制能力的气态探测器，在地球上探测到太阳Kaluza-Klein轴子的双光子衰变信号？
• RQ2 对于被捕获KK轴子的基准模型，轴子-光子耦合 $ g_{a\gamma\gamma} $ 的最强直接约束是什么？
• RQ3 SEDINE探测器的灵敏度与以往地球上的轴子衰变直接搜寻相比如何？
• RQ4 在提升辐射纯度和增大体积的条件下，SNOLAB的S140探测器在多大程度上可超越当前限制？
• RQ5 观测到的平静太阳的弥漫X射线谱能否由被捕获的KK轴子衰变解释？所需的耦合强度是多少？

主要发现

• 在42天的数据中仅观测到一个候选事例，与本底预期一致，因此在90%置信水平下得出上限：$ g_{a\gamma\gamma} < 8.99 \times 10^{-13} \, \text{GeV}^{-1} $。
• 该上限比此前XMASS实验报告的最佳直接约束（$ g_{a\gamma\gamma} < 4.8 \times 10^{-12} \, \text{GeV}^{-1} $）强五倍。
• 探测器在2–22 keV能量范围内实现了99.99%的本底抑制，对轴子衰变事例的灵敏度为16.34%。
• 本研究首次基于轴子衰变的双光子信号设定了直接限制，排除了在90%置信水平下，非相对论性粒子在9–14 keV质量范围内的积分衰变速率高于约2个/天/m³的可能性。
• 预计SNOLAB的S140探测器在本底抑制后，背景与信号比仅为20%，利用400天的数据可探测太阳KK轴子模型的优选参数空间。
• 对太阳KK轴子积分探测效率的最终不确定性估计为24%，为未来模型比较提供了可靠基础。