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首页暗物质有效理论下PandaX, LUX与XENON1T实验联合分析结果
本文主要探讨了在暗物质有效理论框架下对PandaX、LUX和XENON1T这三个重要的直接探测实验的综合分析。暗物质,作为一种广泛的暗物质候选者,特别是那些弱相互作用的大型粒子,其存在得到了实验的广泛关注。这些实验旨在寻找暗物质与普通物质之间的微弱相互作用,例如通过测量它们可能引起的原子核的散射事件。 暗物质的有效理论在非相对论条件下被发展出来,它简化了暗物质与核子间的相互作用模型,有助于更深入地理解核反应动力学。文章将焦点集中在自旋1/2的暗物质上,通过整合PandaX、LUX和XENON1T的最新数据,构建了一个联合似然函数,从而为每个有效耦合提供了更为精确的限制。此外,文章还考虑了天体物理学中暗物质分布的不确定性,这是实验结果分析中的一个重要因素。 文章特别关注了相互作用的同位旋违例,即暗物质与不同同位素核之间的可能差异,这在理论预测和实验数据分析中是不可忽视的。通过对实验数据的细致分析,研究人员可以检验理论模型的适用性和新物理现象的可能性。 对于电弱尺度以上的五维和六维有效理论,作者提供了更新的新物理质量尺度限制。这意味着研究者可以通过这些限制来划定潜在新物理模型的范围,进一步缩小可能的暗物质参数空间。 这篇论文不仅展示了如何在暗物质有效理论的指导下进行实验数据分析,而且还提供了关键的实验约束,对于理解暗物质性质以及可能的额外维度理论具有重要意义。这些研究成果对暗物质研究领域有着深远的影响,推动了我们对宇宙中最神秘成分之一的认识不断深化。
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JHEP11(2017)024
and the averaged amplitude can be written as
h|M
NR
|
2
i
spins
=
4π
2J + 1
X
τ,τ
0
={p,n}
X
k={M,Σ
0
,Σ
00
}
R
ττ
0
k
v
⊥2
T
,
q
2
m
2
N
W
ττ
0
k
(y)
+
q
2
m
2
N
X
k={Φ
00
,Φ
00
M,
˜
Φ
0
,∆,∆Σ
0
}
R
ττ
0
k
v
⊥2
T
,
q
2
m
2
N
W
ττ
0
k
(y)
. (2.6)
The amplitude includes the nuclear response functions W
ττ
0
k
(y) and the DM response func-
tions R
ττ
0
k
, which were described in ref. [25]. The indices τ and τ
0
run over proton p and
neutron n. We also briefly describe them in appendix A. The symbols M, ∆, Σ
0
, Σ
00
,
˜
Φ
0
,
and Φ
00
indicate the type of response function. Note that the dimension of the averaged
amplitude is mass
−4
. One shall not confuse the transfer momentum q in eq. (2.6) with the
recoil energy Q in eq. (2.5). These two quantities are related by q
2
= 2m
T
Q.
In the astrophysics part, the DM velocity distribution function f(~v + ~v
e
) can be de-
scribed by the Maxwell-Boltzmann distribution [47], or directly extracted from N-body
simulation [48]. The Earth’s velocity in the galactic rest frame, ~v
e
, is added in order to
translate the reference frame from the galactic rest frame to the Earth rest frame. In this
work, we adopt the soft-truncated Maxwell-Boltzmann distribution [49]. The local density
ρ
0
indicates the DM mass density near the Sun. We analytically integrate the velocity
distribution over the solid angle and present the result in appendix B. The minimum DM
velocity can be written as a function of recoil energy, assuming that the scattering between
DM and nucleus is elastic
v
min
(Q) =
s
Qm
T
2M
2
r
, (2.7)
where M
r
is the reduced mass.
Finally, the efficiency of the dark matter detector (Q) needs to be included in the
calculation. The total event rate is then
R =
Z
∞
0
(Q)
dR
dQ
dQ. (2.8)
We will see in the following section that the event rate R is the best model independent
quantity in our likelihood functions.
3 Experimental data and likelihood function
3.1 PandaX-II experiment
The PandaX-II is a half-ton xenon dual-phase detector at the China Jinping underground
Laboratory. The PandaX collaboration has published results based on their Run 8 (19.1
live days) and Run 9 (79.6 live days) data with exposure of 5845 kg-day and 27155 kg-day,
respectively. For the Run 8, the total observed event number after all the cuts is 2 and the
expected background event number is 2.4 ±0.8. For the Run 9, the observed event number
is 1 with an expected background event number of 2.4 ± 0.7. The 90% confidence level
– 5 –
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