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The ultimate sensitivity in dark matter direct detection experiments in the presence of an anomalous neutrino source
Marco Nikolic
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Josef Pradler
DOI
10.25365/thesis.60015
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25123.78242.581660-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Neben der Dunkler Materie könnte es eine weiter Quelle relativistischer Teilchen im Universium geben - die sogenannte dunkle Strahlung - die bisher nicht entdeckt wurde. Eine Möglichkeit, solche Teilchen zu finden, ist die Suche nach nuklearen Rücksto\ss ereignissen in direkten Detektionsexperimenten, wo Dunkle Materie-Teilchen, z.B. WIMPs, elastisch an Atomkernen streuen. Neutrinos aus dem Standardmodell, die auch eine Form der dunklen Strahlung darstellen, bilden allerdings einen irreduziblen Hintergrund in diesen Experimenten und begrenzen daher die Sensitivität gegenüber der Dunklen Materie. Diese Grenze wird in der Literatur als ``neutrino floor'' bezeichnet. In dieser Arbeit analysieren wir die Sensitivität der Dunklen Materie-Experimenten, wenn eine zusätzliche anomale Quelle an dunkler Strahlung in Form von Neutrinos vorhanden ist. Dazu nehmen wir an, dass diese dunkle Strahlung aus der Dunklen Materie erzeugt wird. Da dunkle Strahlung Dunkle Materie-Signale in direkten Detektionsexperimenten imitieren kann, führen wir Analysen durch, die auf Likelihood-Statistik und Hypothesen-Tests basieren. Dies ermöglicht uns, die Diskrepanz zwischen Signalen und Hintergründen zu testen. Wir zeigen, dass der ``neutrino floor'' für Experimente, die Xenon als Detektormaterial verwenden, bei Anwesenheit von dunkler Strahlung um mehrere Grö\ss enordnungen angehoben werden kann. So hebt z.B. eine zusätzliche Neutrinoquelle, die von Dunklen Materie-Teilchen mit einer Masse von $m_X=1$~GeV und einer Lebensdauer von $\tau_X=10$~Gyr produziert wird, den ``neutrino foor'' um bis zu vier Grö\ss enordnungen. \newline \newline Darüber hinaus untersuchen wir die Sensitivität von direkten Detektionsexperimenten gegenüber einer solchen dunklen Neutrinostrahlung in Gegenwart von Neutrinos aus dem Standardmodell. So können beispielsweise atmosphärische Neutrinos Signale der dunklen Neutrinostrahlung mit einer Dunklen Materie-Masse von $m_X=242$~MeV und einer Lebensdauer von $\tau_X=10^5$~Gyr imitieren. Angesichts der bisherigen Grenzen von Neutrinoexperimenten, wie Super-Kamiokande, stellen wir fest, dass Xenon-basierte Dunkle-Materie-Experimente mit Expositionen unter $1$~ton~yr nicht in der Lage sein werden, neue Regionen im Parameterraum von Dunkler Materiemasse und Lebensdauer zu untersuchen.
Abstract
(Englisch)
Besides dark matter, the universe may be filled in significant number with a new form of relativistic particles, dark radiation, that have escaped detection to date. One way to look for such particles is by searching for nuclear recoil events in direct detection experiments, where dark matter particles, e.g~WIMPs elastically scatter off target nuclei. As is well known, Standard Model neutrinos - also a form of dark radiation - constitute an irreducible background in these searches, ultimately limiting the increase of sensitivity to dark matter in these experiments. This sensitivity limit is termed ``neutrino-floor'' in the literature. In this work we analyse the sensitivity to dark matter when additional anomalous sources of dark radiation in form of neutrinos are present. Such dark radiation is assumed to be produced from dark matter decays. Since dark radiation may mimic dark matter signals in direct detection experiments, we perform our analysis based on likelihood statistics and hypothesis testing that allows to test the discrepancy between signals and backgrounds. We show that the neutrino floor for xenon-based experiments may be lifted by several orders of magnitude in the presence of extra dark radiation. Assuming that an additional neutrino source produced by a progenitor with mass $m_X=1$~GeV and a lifetime $\tau_X=10$~Gyr exists, the neutrino floor is raised by up to four orders of magnitude. \newline \newline In addition, we explore the sensitivity with respect to neutrino dark radiation from dark matter decay in the presence of Standard Model neutrinos in direct detection experiments. For instance, atmospheric neutrinos may mimic dark radiation with a progenitor mass $m_X=242$~MeV and a lifetime $\tau_X=10^5$~Gyr. Given the previous bounds from neutrino experiments, such as Super-Kamiokande, we find that xenon-based dark matter searches with exposures less than $1$~ton~yr will not be able to probe new regions of the dark matter progenitor mass and lifetime parameter space.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
neutrino floor direct detection dark matter dark radiation neutrino supernova exclusion limit discovery limit halo WIMP sensitivity galactic extragalactic
Schlagwörter
(Deutsch)
Neutrino direkte Detektion Dunkle Materie Dunkle Strahlung Ausschlussgrenzen Entdeckungsgrenzen Supernova extragalaktisch galaktisch Halo WIMP Sensitivität
Autor*innen
Marco Nikolic
Haupttitel (Englisch)
The ultimate sensitivity in dark matter direct detection experiments in the presence of an anomalous neutrino source
Paralleltitel (Deutsch)
Die ultimative Sensitivität in Dunkle-Materie-Direkte-Detektionsexperimenten in der Gegenwart einer anomalen Neutrino-Quelle
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
112 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Josef Pradler
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.10 Theoretische Physik: Allgemeines ,
33 Physik > 33.50 Physik der Elementarteilchen und Felder: Allgemeines ,
33 Physik > 33.56 Elementarteilchenphysik ,
33 Physik > 33.59 Physik der Elementarteilchen und Felder: Sonstiges ,
39 Astronomie > 39.22 Astrophysik
AC Nummer
AC15726176
Utheses ID
53032
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |