[论文解读] The dark matter: DAMA/LIBRA and its perspectives

R. Bernabei, P. Belli+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 7

一句话总结

该论文展示了DAMA/LIBRA–phase2实验的最新结果，确认在1–6 keV能量范围内、累计暴露量为2.86吨×年、历经22个年度周期的单次撞击闪烁事件中，存在一个模型无关的年调制信号，显著性水平达11.8σ。该信号与银河系晕中暗物质粒子的预期一致，且无已知系统误差可完全模拟其完整特征。

ABSTRACT

Experimental observations and theoretical arguments point out that Dark Matter (DM) particles are one of the most prominent component of the Universe. This motivated the pioneer DAMA experiment to investigate the presence of these particles in the galactic halo, by exploiting the model independent signature of the DM annual modulation of the rate and very highly radio-pure apparatus in underground site. In this paper the results obtained by other two annual cycles of DAMA/LIBRA-phase2 are presented and the long-standing model-independent annual modulation effect measured by DAMA deep underground at the Gran Sasso National Laboratory (LNGS) of the I.N.F.N. with different experimental configurations is summarized. The improved experimental configuration of DAMA/LIBRA-phase2, $\simeq$ 250 kg highly radio-pure NaI(Tl), allowed to lower the software energy threshold. The total exposure of DAMA/LIBRA-phase2 over 8 annual cycles is 1.53 ton $ imes$ yr. DAMA/LIBRA-phase2 confirms the evidence of a signal that meets all the requirements of the model independent Dark Matter annual modulation signature, at 11.8 $σ$ C.L. in the energy region (1-6) keV. In the energy region between 2 and 6 keV, where data are also available from DAMA/NaI and DAMA/LIBRA-phase1 (2.86 ton $ imes$ yr), the achieved C.L. is 13.7 $σ$; the modulation amplitude of the single-hit scintillation events is: $(0.01014 \pm 0.00074)$ cpd/kg/keV, the measured phase is $(142.4 \pm 4.2)$ days and the measured period is $(0.99834 \pm 0.00067)$ yr, all these values are well in agreement with those expected for DM particles. No systematics or side reaction able to mimic the exploited DM signature (i.e. to account for the whole measured modulation amplitude and to simultaneously satisfy all the requirements of the signature), has been found or suggested by anyone throughout some decades thus far.

研究动机与目标

• 通过模型无关的年调制特征，确认银河系晕中存在暗物质粒子。
• 通过降低软件能量阈值并增加低能区的暴露量，提升探测灵敏度。
• 排除可能模拟年调制信号的系统效应或副反应。
• 通过多种实验配置和长期数据采集期，检验信号的鲁棒性。
• 通过提升能量分辨率和统计精度，实现对各类暗物质候选者及理论模型的区分。

提出的方法

• 在格兰萨索国家实验室（LNGS）地下站点使用250 kg高放射性纯度NaI(Tl)探测器阵列。
• 采用第二代高量子效率Hamamatsu R6233MOD光电倍增管及升级后的电子学系统，以增强信号收集并降低本底。
• 最新数据中采用0.75 keV的软件能量阈值，且正在通过硬件升级进一步降低至1 keV以下。
• 分析单次撞击闪烁事件以分离年调制信号，将其与DM相互作用可忽略的多次撞击事件区分开来。
• 通过调制幅度、相位和周期的统计分析，检验其与预期暗物质特征的一致性。
• 整合DAMA/NaI、DAMA/LIBRA–phase1和DAMA/LIBRA–phase2的数据，实现累计暴露量2.86吨×年。

实验结果

研究问题

• RQ1 在22个独立年度周期中，单次撞击闪烁事件的年调制信号是否保持一致的相位和周期？
• RQ2 在(2–6) keV区域观测到的调制幅度是否可由已知系统误差或本底过程解释？
• RQ3 该调制信号是否局限于低能事件（1–6 keV），而在高能或多次撞击事件中缺失，如暗物质预期？
• RQ4 在结合DAMA实验所有阶段的数据后，调制信号的统计显著性如何？
• RQ5 该信号是否可与背景或探测器响应的季节性变化等自然周期现象相区分？

主要发现

• DAMA/LIBRA–phase2实验在1–6 keV能量范围内，累计暴露量1.53吨×年，以11.8σ的置信水平确认了模型无关的年调制信号。
• 与DAMA/NaI和DAMA/LIBRA–phase1的数据合并后，总暴露量达2.86吨×年，(2–6) keV区域的调制信号显著性达到13.7σ。
• 在(2–6) keV范围内，单次撞击事件测得的调制幅度为(0.01014 ± 0.00074) cpd/kg/keV。
• 调制相位测得为(142.4 ± 4.2)天，与预期峰值约在6月2日（152.5天）一致。
• 测得周期为(0.99834 ± 0.00067)年，与暗物质预期的1年调制周期高度一致。
• 尚未发现任何已知系统效应或副反应可同时解释长达数十年观测中该年调制信号的完整幅度及所有必要特征。