DAMA実験における中性子バックグラウンドの季節

“Fitting the modulation in DAMA with neutrons
from muons and neutrinos”
(Jonathan H. Davis , ArXiv 1407.1052(2014))
についてのまとめ
I.
INTRODUCTION
II. ANNUAL MODULATION OF NEUTRINOS, MUONS AND DARK MATTER
III. RATES OF COSMOGENIC NEUTRONS
IV. HIGHE-ORDER MODES AND FUTURE TESTS
V. CONCLUSION
名古屋大学
理学研究科 素粒子宇宙物理学専攻
基本粒子研究室(F研)
久野 光慧 森下 美沙希
DAMA/LIBRA実験について
<目的>
銀河ハロー起源のダークマターを見つける
←keV-energyで反跳された原子核を見つける
NaIを検出器に使う
 250㎏
 Gran Sassoの地下に設置
<結果>
(  − 0 )
=
2

 = 0.0116 ± 0.0013
cpd/kg/keV
 = 0.999 ± 0.002 year
≈ 1year 0 = 146.7 ± 7 day
≈ 152.5day(June 2nd)
『The Dark Matter annual modulation results from DAMA/LIBRA』 ,EDP Sciences, 2014
DAMA/NaI
1年周期
6月2日あたりにピーク
DAMA/LIBRA
過去のデータと 季節変動を9.2σの優位性で検出
1年周期、2%の変動幅、5月下旬にピーク
矛盾はない
この季節変動はDark Matter(DM)起源と主張
しかし...
DAMAの季節変動から求められる
 Dark Matterと核子の断面積
~ 2×10-40cm2
 DMの質量 ~ 10GeV
その他の多くの実験データに合っていない
本論文の主張 =
「既知のプロセスでDAMAの季節変動は説明可能」
http://cup.ibs.re.kr/workshop/files/s3/HSLEE_KIMS.pdf.
 cosmic muon
 solar neutrino(8B)
季節変動がある
 Gran Sasso地下にある岩
 ディテクター周囲のシールド
の中で衝突反応を起こして中性子を出す
⇒DAMAは中性子を検出している
高エネルギーのmuonは、
 muon flux ⇒ 大気温度に依る
冬場はfluxが低く、夏場は高い(2%の変動)
6月21日あたりにピーク
(DAMAのピークの約30日後)
 solar neutrino flux ⇒ 太陽‐地球間距離の変化
地球が太陽に最も近くなるときに
fluxは最も高くなる
1月4日あたりにピーク
(ピーク時周辺で、地球が太陽に最も近づく)
Ⅱ. ANNUAL MODULATION OF NEUTRON, MUONS
AND DARK MATTER
導入するモデル = cosmic muon とsolar neutrinoのfluxを組み合わせたもの
⇒ DAMAの季節変動のbest-fitと比較
⇒DMのsignalが、既知のプロセスで説明できるか検証
<cosmic muon fluxの式>
 ≈ 0 + ∆ cos(2  −  )/
0 :フラックスの平均値
 :周期  :位相
Borexino実験から…
∆
= 0.0129 ± 0.0007
0
 = 366 ± 3 days
 = 179 ± 6 days
⇒ ミューオンの季節変動のピーク =
6月21日(DAMAのピークの約30日後)
<solar nuetorino fluxの式>
Φ =
Borexino実験から…
7Be  = 1.01±0.07 years

 = 11.0±4.0 days
Super-Kamiokande実験から…
8B
 = 3 days
flux
(2.38 ± 0.05 stat.
+0.16
−0.15 (sys. )) ×


2  − 
≈
1
+
2cos
4 2 () 40 2

 :ニュートリノの生成割合
():太陽‐地球間距離
 = 0.01671
106 cm−2  −1
t:1月1日からの日数
0 :太陽‐地球間平均距離
 :周期
 :位相(1月4日に最も()が小さくなる ⇒  = 3days)
Dark Matterの季節変動
Dark Matterが反応する確率


=
  
3 

(v +   )

 :DM密度
 :標的の核子の質量
:DMの質量~10GeV

:断面積

( ) = 銀河系のDMの速度分布(Maxwell-Boltzmann分布で仮定)
  = 地球静止系でのDMの速度 ⇐ DMの季節変動の要因
  = 0 + pec + E 
0 = 0,220,0 kms −1
pec = 11.1 ± 1.2,12.1 ± 2.0,7.3 ± 0.6 kms −1
E  :太陽に対する地球の相対速度
DMのbest-fitの = 69.76(自由度は不明)
SUN
Galaxy
DAMAの季節変動のシグナル ⇒ ミューオンやニュートリノのシグナル
⇒ + =  cos   −  +  cos   − 
=
2

 ,  :振幅 = modulation ‘residual’
 ,  :free parameter、T = 365 days
1. φν = 3 days (Super-Kamiokande実験の8Be neutorinosの値)、 = 179 days
2.  = 11.0 days(Borexino実験の7Be neutorinosの値)、 = 179 days
FIG.1
1の場合  = 0.039,  = 0.047 ( 2 = 66.74)
2の場合  = 0.022,  = 0.030
振幅の信頼性を示す分布図
★:best-fit point
FIG.2
FIG.3
1の振幅( = 0.039,  = 0.047)を使用
free parameterの数が違うため、複数の検定方法を用いる
Numbers of free
parameters(k)
The number of
data-points(n)

AIC
=  + 
BIC
=  +  ln 
Muons +
Neutrinos
2
80
66.74
70.74
75.50
Dark Matter
1
80
69.76
71.76
74.14
Muons-only
1
80
90.39
92.39
94.77
Muons + Neutrinos とDark Matter の値は非常によく似ている
DAMAのデータを説明するのに、Dark MatterモデルとMuons+Neutrinosモデルは
どちらも同じようにデータをよく再現している