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

Résumé technique : Recherche de nouvelle physique via les reculs électroniques de basse énergie avec l'expérience LZ

Problème et motivation
Bien que les chambres à projection temporelle (TPC) à xénon biphasique (dual-phase) comme LUX-ZEPLIN (LZ) soient principalement conçues pour la recherche de reculs nucléaires (NR) ciblant les WIMPs (particules massives interagissant faiblement), elles possèdent une haute sensibilité aux signaux de recul électronique (ER). Ces signaux ER offrent une voie pour sonder un large spectre de nouvelles physiques au-delà des candidats WIMP standards. Cet article rend compte des recherches de modèles de nouvelle physique produisant des signaux ER, en utilisant les données des deux premières campagnes scientifiques de l'expérience LZ (WS2022 et WS2024). L'analyse cible des scénarios spécifiques : les ALPs (axion-like particles) solaires, la matière noire bosonique (DM) par absorption, la matière noire miroir (MDM) et les interactions électromagnétiques des neutrinos solaires (moment magnétique et millicharge). Un défi majeur abordé est l'atténuation des fonds ER dominants, spécifiquement la désintégration $\beta$ du $^{214}\text{Pb}$ provenant de la contamination par le radon ($^{222}\text{Rn}$).

Méthodologie
L'analyse utilise une exposition totale de 4,2 tonnes-années (0,9 de WS2022 et 3,3 de WS2024) avec une masse fiduciaire de $5,5 \pm 0,2$ tonnes. Le détecteur fonctionne au Sanford Underground Research Facility (SURF) et emploie une TPC à xénon biphasique entourée de systèmes de veto actifs pour supprimer les bruits de fond.

• Modélisation du signal :

  • ALPs solaires : Les modèles incluent la conversion Primakoff (couplage photon $g_{a\gamma\gamma}$), les processus ABC (recombinaison atomique, bremsstrahlung, diffusion Compton ; couplage électronique $g_{ae}$) et la désexcitation nucléaire du $^{57}\text{Fe}$ (couplage nucléaire effectif $g_{aN}^{\text{eff}}$). Notamment, cette analyse conserve la dépendance à la masse dans les modèles de flux et de section efficace, et explore pour la première fois le processus Primakoff inverse pour les ALPs du $^{57}\text{Fe}$.
  • Matière noire bosonique : Recherches d'absorption de DM pseudoscalaires (ALP) et vectorielles (photon caché) à l'échelle du keV dans le xénon liquide, produisant des raies ER monoénergétiques.
  • Matière noire miroir : Les modèles simulent des électrons miroirs diffusant avec les électrons du xénon via le mélange photon-photon miroir, incluant une modulation annuelle/diurne.
  • Neutrinos solaires : Étudie les interactions électromagnétiques, spécifiquement le moment magnétique du neutrino ($\mu_\nu$) et la millicharge ($\delta Q$).

• Sélection des données et stratégie d'analyse :

  • Deux régions d'intérêt (ROI) sont définies. La ROI 2D utilise l'espace d'observation standard $(S1_c, S2_c)$ avec une limite supérieure de $S1_c < 80$ phd, adaptée à la diffusion de la matière noire miroir et aux signaux d'interaction électromagnétique des neutrinos solaires. La ROI 1D utilise l'énergie reconstruite ($E_{\text{rec}}$) avec une limite supérieure de $E_{\text{rec}} < 20$ keV. Cette approche 1D est appliquée aux ALPs solaires et à l'absorption de la DM bosonique pour améliorer l'efficacité des signaux monoénergétiques (par exemple, les ALPs du $^{57}\text{Fe}$ à 14,4 keV) où la coupure $S1_c$ de la ROI 2D provoque une chute d'efficacité.
  • Marquage du Radon (Radon Tagging) : Une technique novatrice est appliquée à l'ensemble de données WS2024 pour identifier les événements $^{214}\text{Pb}$. En cartographiant le flux de xénon liquide et en suivant les paires de désintégration $^{222}\text{Rn}$-$^{218}\text{Po}$, un « volume de marquage » est défini. Les événements situés dans ce volume et cette fenêtre temporelle sont traités comme un côté (sideband) riche en $^{214}\text{Pb}$ pour contraindre les taux de fond et l'efficacité de marquage dans l'ajustement de vraisemblance.
  • Traitement statistique : Une approche par rapport de vraisemblance de profil (PLR) est utilisée. L'analyse intègre un traitement dépendant du signal et inclut les événements marqués par le radon comme un côté pour contraindre le bruit de fond $^{214}\text{Pb}$ dominant. Des événements « sel » synthétiques ont été utilisés pour valider l'analyse contre les biais, la région de la ROI 1D n'étant pas « salée » qu'après le gel de tous les choix d'analyse.

Contributions clés

1. Première application du marquage du radon dans les recherches ER de LZ : Ce travail introduit la technique de marquage du radon aux recherches de reculs électroniques à basse énergie, améliorant significativement la capacité à contraindre le bruit de fond $^{214}\text{Pb}$ dominant.
2. Analyse dépendante du signal : L'article adopte une stratégie de double ROI (énergie uniquement 1D et $S1_c$-$S2_c$ 2D) adaptée aux caractéristiques spectrales des différents modèles de signaux, optimisant la sensibilité pour les processus de diffusion et d'absorption.
3. Modèles de nouvelle physique : Il s'agit de la première recherche expérimentale du processus Primakoff inverse pour les ALPs solaires du $^{57}\text{Fe}$. Elle fournit également les premières contraintes expérimentales sur le produit de couplage $g_{a\gamma\gamma}g_{a}^{\text{eff}}$ pour les ALPs du $^{57}\text{Fe}$.
4. Exposition étendue : L'analyse combine 4,2 tonnes-années de données, représentant une augmentation significative de l'exposition par rapport aux études ER précédentes de LZ.

Résultats
Les données observées sont cohérentes avec l'hypothèse de bruit de fond uniquement, aucun excès significatif n'ayant été trouvé. Par conséquent, l'article établit des limites supérieures (90 % C.L.) sur divers paramètres de nouvelle physique :

• ALPs solaires :
  • Couplage électronique ($g_{ae}$) : $< 1,8 \times 10^{-12}$ (amélioration de 15 % par rapport aux principales contraintes terrestres).
  • Couplage photon ($g_{a\gamma\gamma}$) : $< 3,5 \times 10^{-10} \text{ GeV}^{-1}$ (plus stricte pour les masses $\sim 1 \text{ eV}/c^2$ et plus, amélioration de 30 %).
  • Taux d'ALP $^{57}\text{Fe}$ : $< 14$ événements tonne$^{-1}$ an$^{-1}$ (amélioration de 30 % sur $g_{ae}g_{a}^{\text{eff}}$).
• Neutrinos solaires :
  • Moment magnétique ($\mu_\nu$) : $< 8,3 \times 10^{-12} \mu_B$ (un facteur deux plus fort que le résultat précédent de WS2022).
  • Millicharge ($\delta Q$) : $< 1,6 \times 10^{-13} e_0$ (limite actuelle de référence).
• Matière noire :
  • Matière noire miroir : Exclut les températures $T_{\text{DM}} > 0,29 \text{ keV}$ ; fixe le mélange cinétique $\epsilon < 4 \times 10^{-12}$ à $T_{\text{DM}} = 0,5 \text{ keV}$ (amélioration de 10 % par rapport au meilleur résultat précédent).
  • DM bosonique : Les limites sont comparables aux contraintes de tête de XENONnT et PandaX-4T.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que ces résultats représentent les contraintes les plus strictes à ce jour sur les ALPs solaires Primakoff et $^{57}\text{Fe}$ à l'échelle du keV, la matière noire miroir et la millicharge des neutrinos. Pour la matière noire bosonique, les contraintes sont comparables aux contraintes de tête, tandis que pour le moment magnétique des neutrinos solaires et les ALPs solaires ABC, les résultats restent très compétitifs avec d'autres expériences de pointe (XENONnT, PandaX-4T). La sensibilité globale est légèrement plus forte dans plusieurs canaux grâce à l'exposition accrue et au marquage du radon.

L'article souligne que l'introduction du marquage du radon a amélioré la sensibilité médiane aux événements de signal d'environ 10 à 25 % dans les ensembles de données fictifs (toy datasets), bien que le gain observé ait été plus modeste (5 à 10 %) en raison des incertitudes systématiques sur l'efficacité de marquage. Ce travail démontre que les TPC à xénon liquide sont de puissants sondes pour la nouvelle physique à couplage électronique à l'échelle du keV. Les auteurs projettent qu'avec les conceptions de base de la prochaine génération et un meilleur contrôle des bruits de fond, la sensibilité pourrait s'améliorer d'un ordre de grandeur en taux d'événements, atteignant potentiellement les contraintes astrophysiques pour les moments magnétiques des neutrinos.