Search for New Physics via Low-Energy Electron Recoils with a 4.2 Tonne\times Year Exposure from the LZ Experiment

Resumen Técnico: Búsqueda de Nueva Física mediante Recocos Electrónicos de Baja Energía con el Experimento LZ

Problema y Motivación
Aunque los detectores de cámaras de proyección de tiempo (TPC) de xenón de fase dual como LUX-ZEPLIN (LZ) están diseñados principalmente para búsquedas de recocoz de núcleos (NR) dirigidas a WIMPs (partículas masivas que interactúan débilmente), poseen una alta sensibilidad a las señales de recocoz electrónico (ER). Estas señales de ER ofrecen una vía para sondear un amplio espectro de nueva física más allá de los candidatos estándar a WIMP. Este artículo informa sobre las búsquedas de modelos de nueva física que producen señales de ER, utilizando datos de las dos primeras corridas científicas del experimento LZ (WS2022 y WS2024). El análisis se dirige a escenarios específicos: ALPs (partículas tipo axión) solares, absorción de materia oscura (DM) bosónica, materia oscura espejo (MDM) e interacciones electromagnéticas de neutrinos solares (momento magnético y carga milimétrica). Un desafío clave abordado es la mitigación de los fondos dominantes de ER, específicamente la desintegración $\beta$ de $^{214}\text{Pb}$ originada por la contaminación de radón ($^{222}\text{Rn}$).

Metodología
El análisis utiliza una exposición total de 4.2 toneladas-año (0.9 de WS2022 y 3.3 de WS2024) con una masa fiducial de $5.5 \pm 0.2$ toneladas. El detector opera en la Instalación de Investigación Subterránea Sanford (SURF) y emplea un TPC de xenón de fase dual rodeado de sistemas de veto activos para suprimir los fondos.

• Modelado de Señales:

  • ALPs Solares: Los modelos incluyen la conversión de Primakoff (acoplamiento fotón $g_{a\gamma\gamma}$), procesos ABC (recombinación atómica, bremsstrahlung, dispersión Compton; acoplamiento electrónico $g_{ae}$) y desexcitación nuclear de $^{57}\text{Fe}$ (acoplamiento de nucleones efectivo $g_{aN}^{\text{eff}}$). Notablemente, este análisis retiene la dependencia de la masa tanto en los modelos de flujo como de sección eficaz y explora el proceso de Primakoff inverso para ALPs de $^{57}\text{Fe}$ por primera vez.
  • DM Bosónica: Búsquedas de absorción de DM pseudoscalar (ALP) y vectorial (fotón oculto) de escala keV en xenón líquido, produciendo líneas de ER monoenergéticas.
  • Materia Oscura Espejo: Los modelos implican la dispersión de electrones espejo con electrones de xenón mediante la mezcla fotón-fotón espejo, incluyendo modulación anual/diaria.
  • Neutrinos Solares: Investiga las interacciones electromagnéticas, específicamente el momento magnético del neutrino ($\mu_\nu$) y la carga milimétrica ($\delta Q$).

• Selección de Datos y Estrategia de Análisis:

  • Se definen dos Regiones de Interés (ROI). La ROI 2D utiliza el espacio de observables $(S1_c, S2_c)$ estándar con un límite superior de $S1_c < 80$ phd, adecuado para la dispersión de materia oscura espejo y señales de interacción electromagnética de neutrinos solares. La ROI 1D utiliza la energía reconstruida ($E_{\text{rec}}$) con un límite superior de $E_{\text{rec}} < 20$ keV. Este enfoque 1D se aplica a los ALPs solares y a la absorción de DM bosónica para mejorar la eficiencia de las señales monoenergéticas (por ejemplo, ALPs de $^{57}\text{Fe}$ de 14.4 keV) donde el corte de $S1_c$ de la ROI 2D causa una caída en la eficiencia.
  • Etiquetado de Radón: Se aplica una técnica novedosa al conjunto de datos de WS2024 para identificar eventos de $^{214}\text{Pb}$. Al mapear el flujo de xenón líquido y rastrear pares de desintegración $^{222}\text{Rn}$-$^{218}\text{Po}$, se define un "volumen de etiquetado"; los eventos dentro de este volumen y ventana de tiempo se tratan como un sideband rico en $^{214}\text{Pb}$ para restringir las tasas de fondo y la eficiencia de etiquetado dentro del ajuste de verosimilitud.
  • Tratamiento Estadístico: Se utiliza un enfoque de razón de verosimilitud de perfil (PLR). El análisis incorpora un tratamiento dependiente de la señal e incluye los eventos etiquetados por radón como un sideband para restringir el fondo dominante de $^{214}\text{Pb}$. Se utilizaron eventos de "sal" sintéticos para validar el análisis contra sesgos, y la región de la ROI 1D permaneció sin sal solo después de que todas las elecciones del análisis fueron congeladas.

Contribuciones Clave

1. Primera Aplicación del Etiquetado de Radón en Búsquedas de ER de LZ: Este trabajo introduce la técnica de etiquetado de radón a las búsquedas de recocoz electrónico de baja energía, mejorando significativamente la capacidad de restringir el fondo dominante de $^{214}\text{Pb}$.
2. Análisis Dependiente de la Señal: El artículo adopta una estrategia de ROI dual (energía únicamente 1D y 2D $S1_c$-$S2_c$) adaptada a las características espectrales de diferentes modelos de señal, optimizando la sensibilidad tanto para procesos de dispersión como de absorción.
3. Modelos de Nueva Física: Esta es la primera búsqueda experimental del proceso Primakoff inverso para ALPs solares de $^{57}\text{Fe}$. También proporciona las primeras restricciones experimentales sobre el producto de acoplamiento $g_{a\gamma\gamma}g_{a}^{\text{eff}}$ para ALPs de $^{57}\text{Fe}$.
4. Exposición Expandida: El análisis combina 4.2 toneladas-año de datos, lo que representa un aumento significativo en la exposición respecto a estudios previos de ER de LZ.

Resultos
Los datos observados son consistentes con la hipótesis de solo fondo, sin que se encuentre un exceso significativo. En consecuencia, el artículo establece límites superiores (90% C.L.) sobre varios parámetros de nueva física:

• ALPs Solares:
  • Acoplamiento electrónico ($g_{ae}$): $< 1.8 \times 10^{-12}$ (mejora del 15% sobre las restricciones terrestres líderes).
  • Acoplamiento fotón ($g_{a\gamma\gamma}$): $< 3.5 \times 10^{-10} \text{ GeV}^{-1}$ (más estricto para masas $\sim 1 \text{ eV}/c^2$ y superiores, mejora del 30%).
  • Tasa de ALP de $^{57}\text{Fe}$: $< 14$ eventos tonel$^{-1}$ año$^{-1}$ (mejora del 30% en $g_{ae}g_{a}^{\text{eff}}$).
• Neutrinos Solares:
  • Momento magnético ($\mu_\nu$): $< 8.3 \times 10^{-12} \mu_B$ (un factor de dos más fuerte que el resultado anterior de WS2022).
  • Carga milimétrica ($\delta Q$): $< 1.6 \times 10^{-13} e_0$ (límite líder actual).
• Materia Oscura:
  • Materia Oscura Espejo: Excluye temperaturas $T_{\text{DM}} > 0.29 \text{ keV}$; establece una mezcla cinética $\epsilon < 4 \times 10^{-12}$ para $T_{\text{DM}} = 0.5 \text{ keV}$ (mejora del 10% sobre el mejor resultado previo).
  • DM Bosónica: Los límites son comparables a las restricciones líderes de XENONnT y PandaX-4T.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que estos resultados representan las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre ALPs solares de escala keV (Primakoff y $^{57}\text{Fe}$), materia oscura espejo y la carga milimétrica de neutrinos. Para la materia oscura bosónica, las restricciones son comparables a las restricciones líderes, mientras que para el momento magnético de neutrinos solares y los ALPs solares ABC, los resultados siguen siendo altamente competitivos con otros experimentos líderes (XENONnT, PandaX-4T). La sensibilidad general es ligeramente más fuerte en varios canales debido a la mayor exposición y al etiquetado de radón.

El artículo enfatiza que la introducción del etiquetado de radón mejoró la sensibilidad mediana a eventos de señal en aproximadamente un 10–25% en conjuntos de datos de juguete, aunque la ganancia observada fue más modesta (5–10%) debido a las incertidumbres sistemáticas en la eficiencia de etiquetado. Este trabajo demuestra que los detectores TPC de xenón líquido son sondas poderosas para la nueva física de acoplamiento electrónico a escala keV. Los autores proyectan que, con los diseños base de próxima generación y un mejor control de los fondos, la sensibilidad podría mejorar en un orden de magnitud en la tasa de eventos, alcanzando potencialmente las restricciones astrofísicas para los momentos magnéticos de los neutrinos.