Search for An Annual Modulation in Three Years of CoGeNT Dark Matter Detector Data 永田 夏海 2014年1月17日 E-ken Journal Club CoGeNT Collaboration [arXiv: 1401.3295]

1. Introduction

Introduction 暗黒物質の存在証拠 銀河スケール 銀河団スケール 宇宙論的スケール Clowe et. al. (2006) Begeman et. al. (1991) Clowe et. al. (2006) 宇宙論的スケール Planck (2013) Planck (2013)

Weakly Interacting Massive Particles Introduction Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) 暗黒物質の有力な候補に Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) がある。 数十GeV 〜 数TeV程度の質量を持つ 通常の物質と，弱い相互作用と同程度の強さの相互作用を行う 観測されている暗黒物質の量がその残存量によって自然に説明 される [thermal relic scenario]. 標準模型を超える物理理論にしばしば現れる

Introduction 暗黒物質直接探索実験 WIMP暗黒物質と原子核との散乱を，散乱の際に原子核に受け 渡される反跳エネルギーを捉えることで検出する 検出精度の進歩はめざましく，将来実験も数多く計画

散乱のエネルギー・スケール v 〜 (2-3)00 km/s 散乱過程は非相対論的 暗黒物質の局所平均速度 (mean local velocity) v 〜 (2-3)00 km/s 散乱過程は非相対論的 散乱のエネルギー・スケール 暗黒物質質量 M 〜 100 GeV とすると， 暗黒物質直接検出実験では，数十keV程度の反跳エネルギーに 感度のある検出器を用意する必要がある。

DMは見つかっている！ V.S. DMはまだ見つかっていない。。。 最近の話題 DAMA/LIBRA, CoGeNT, CRESST, CDMS II (Si), … V.S. DMはまだ見つかっていない。。。 LUX, XENON 100, EDELWEISS, CDMS II (Ge), ZEPLIN-III, …

DMは見つかっていない (for WIMPs of mass 33 GeV) Large Underground Xenon (LUX) experiment [arXiv: 1310.8214]

DMは見つかっている WIMPの風（v 〜 200 km/s） 暗黒物質の検出率が年次変化する。 8.9 σ Annual modulation 銀河に張り付いているDMの中を太陽系は 動いている。 WIMPの風（v 〜 200 km/s） “風速”は，地球の公転を反映して変化する。 暗黒物質の検出率が年次変化する。 8.9 σ DAMA/LIBRA [arXiv: 1002.1028]

現状 [arXiv: 1310.8327] “軽い”（〜10 GeV）DMが見つかっているのかもしれない。

CoGeNT Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT) 軽いDM（10 GeV以下）に感度がある p-type point contact (PPC) germanium detectors イオン化のみ使用可能 Soudan Underground Laboratory (SUL)

エネルギー閾値 Ge Xe “軽い”（〜10 GeV）DMを見るには低いエネルギー閾値が必要。

Rise time vs energy deposition 表面層 検出器内 ゲルマニウム検出器内で起こった事象のみを取り入れる。 rise-timeの値が大きい事象を除外

2. Data Analysis

以前の結果 BGシミュレーション CoGeNT [arXiv: 1208.5737] 以前の結果から，低エネルギー領域に超過が見られることが 分かっているので，この領域に特化した解析を行う。 8 GeVのWIMP質量がベスト・フィット

Rise time distributions 13.6 %表面の寄与が混ざる。 バルク 表面 0.5 keVee … エネルギー閾値 2.0 keVee … 信号の超過が見えた領域の（近似的な）終点 さらに，この点を境に表面・バルク領域に分ける。

期待 年次変化の効果は，低エネルギーのバルク領域で のみ観測されるはず。 この場合のみ年次変化が観測されるはず。 もしもスペクトルの超過が軽いWIMP DMの信号なのだとしたら， 年次変化の効果は，低エネルギーのバルク領域で のみ観測されるはず。 0.5-2.0 keVee Bulk 0.5-2.0 keVee Surface 2.0-4.5 keVee Bulk 2.0-4.5 keVee Surface この場合のみ年次変化が観測されるはず。

Counting rates 検出器や低音装置内の放射性物質の 崩壊が見えている。

Modulations 2.2 σ 崩壊するBG成分を取り除いた。 点線：周期をフリー・パラメーターと してフィットした結果 実線：周期を１年としてフィット した結果 cf. DAMA/LIBRE １番上のみ年次周期が優位に見れる。

3. Discussion ここからさらに大胆な議論が始まる。

8 GeV WIMP Maxwell分布ではないのではないか？？ 結果得られた振幅は， もしもスペクトルの超過が8 GeV WIMP DMの信号なのだとしたら， 中心値にして35%程度がシグナルのはず。 残りはBG（例：γ-BGによるコンプトン散乱） この時，検出率の変位は62%という結果がでる。 これは，DMの速度分布に等方的なMaxwell分布を仮定した場合の 計算結果（9%）よりも6.8倍でかい。 Maxwell分布ではないのではないか？？

比較 振幅が予想より6.8倍大きいとすると，DAMAの結果とconsistent

4. Conclusions

Conclusions バルク/表面の信号を分離することで解析を改善 低エネルギー領域に年次変化を認めた（2.2σ） 位相はDAMA/LIBREやシミュレーションと無矛盾 振幅が予想より大きい Non-Maxwellian distributionを仮定するとこれまでの （DMを見つけている）実験結果が全て一致をみるか もしれない 実験からDMの局所速度分布を探れるかも Non-Maxwellian distribution ??

C-4 Experiment（CoGeNTのアップグレード） でテストできるだろう。 Conclusions バルク/表面の信号を分離することで解析を改善 低エネルギー領域に年次変化を認めた（2.2σ） 位相はDAMA/LIBREやシミュレーションと無矛盾 振幅が予想より大きい Non-Maxwellian distributionを仮定するとこれまでの （DMを見つけている）実験結果が全て一致をみるか もしれない 実験からDMの局所速度分布を探れるかも Non-Maxwellian distribution ?? C-4 Experiment（CoGeNTのアップグレード） でテストできるだろう。

Backup

Noise and trigger threshold エネルギー 分解能 トリガー 閾値 火事 2013年4月23日まで1237日（うち1129日分のデータ）

以前の結果 2.8σだった。。 CoGeNT [arXiv: 1208.5737]