[论文解读] Three-year annual modulation search with COSINE-100

COSINE- Collaboration, G. Adhikari+56 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究基于COSINE-100实验的NaI(Tl)探测器，开展了为期三年的年周期调制搜索，采用改进的事件选择方法和时间依赖的本底模型，将能量阈值降低至1 keV。分析结果未发现暗物质诱导调制的显著证据，结果与DAMA观测到的信号以及无调制假设一致，通过伪实验和边带分析验证了搜索方法的稳健性。

ABSTRACT

COSINE-100 is a direct detection dark matter experiment that aims to test DAMA/LIBRA's claim of dark matter discovery by searching for a dark matter-induced annual modulation signal with NaI(Tl) detectors. We present new constraints on the annual modulation signal from a dataset with a 2.82 yr livetime utilizing an active mass of 61.3 kg, for a total exposure of 173 kg$\cdot$yr. This new result features an improved event selection that allows for both lowering the energy threshold to 1 keV and a more precise time-dependent background model. In the 1-6 keV and 2-6 keV energy intervals, we observe best-fit values for the modulation amplitude of 0.0067$\pm$0.0042 and 0.0051$\pm$0.0047 counts/(day$\cdot$kg$\cdot$keV), respectively, with a phase fixed at 152.5 days.

研究动机与目标

• 利用COSINE-100实验的2.82年数据，搜索与暗物质散射一致的NaI(Tl)探测器年周期调制信号。
• 通过改进的事件选择程序，将能量阈值降低至1 keV，以提高灵敏度。
• 实施时间依赖的本底模型，以考虑短寿命宇宙射线生成的本底成分。
• 通过伪实验和边带数据区域验证调制搜索方法的可靠性。
• 评估结果与DAMA实验报告的调制幅度以及无调制假设的一致性。

提出的方法

• 采用相位固定的调制搜索方法，周期固定为365.25天，相位设为152.5天，与DAMA实验的优选参数一致。
• 开展相位自由浮动的调制搜索，允许振幅和相位作为自由参数变化，以检验未知的调制信号。
• 采用贝叶斯后验分析计算调制振幅的最高密度可信区间（HDR），并考虑模型非线性的影响。
• 生成无注入调制的伪实验，以评估偏差并验证后验推断过程的可靠性。
• 分析边带区域（6–20 keV单次事例和1–6 keV多次事例），在预期零信号条件下交叉检验搜索流程。
• 基于对宇宙射线本底的专门研究，推导出时间依赖的本底模型，提升了信号区域的纯净度。

实验结果

研究问题

• RQ1 COSINE-100实验在三年数据中是否观测到NaI(Tl)探测器内由暗物质诱导的年周期调制信号？
• RQ2 观测到的调制振幅是否与DAMA实验的优选信号或无调制假设一致？
• RQ3 通过伪实验和边带数据测试时，调制搜索方法的稳健性如何？
• RQ4 时间依赖的本底模型在多大程度上降低了调制分析中的系统不确定性？
• RQ5 在三年运行后，COSINE-100对DAMA观测到的调制信号的灵敏度如何？

主要发现

• 在1–6 keV信号区域，最佳拟合调制振幅为0.0067 ± 0.0042 dru，与DAMA观测到的信号及无调制情况均一致。
• 在2–6 keV区域，最佳拟合振幅为0.0051 ± 0.0047 dru，同样与两种假设一致。
• 相位自由浮动搜索得到的最佳拟合振幅在考虑后验偏差后，与DAMA优选值及无调制情况均一致。
• 6–20 keV单次事例边带区域在χ²/DOF = 12.8/14下与无调制一致。
• 1–6 keV多次事例边带区域在χ²/DOF = 3.53/5下与无调制一致。
• 伪实验研究证实了后验推断和搜索流程的有效性，振幅估计中未发现显著偏差。