Análise da modulação anual de
eventos no experimento
COSINE-100
Bruno Basso Manzato N°USP: 9302239
Matéria escura - Introdução
→ Evidências indiretas (rotação de galáxias, lentes gravitacionais, variações da radiação cósmica de fundo) mostram tipo de matéria que não interage eletromagneticamente. Chamamos de Matéria Escura. Mas não sabemos exatamente sua estrutura.
→ Principais candidatos: WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), MACHOs, Neutrinos estéreis, etc.
→ O projeto COSINE-100 foca na teoria dos WIMPs. Segundo essa teoria, a matéria escura sofre interação fraca e poderia interagir com o núcleo atômico → Podemos detectar!
Modulação Anual de Eventos
→ Caso a matéria escura seja composta por WIMPs, os principais modelos sugerem a existência de um halo de WIMPs ao redor da Via Láctea. Devido ao movimento de translação do Sol ao redor do centro da galáxia e da Terra ao redor do Sol, a velocidade relativa da Terra com relação aos WIMPs varia dependendo da época do ano, gerando uma modulação anual na taxa de eventos.
→ Seria possível detectar os WIMPs ao observar uma modulação anual na taxa de eventos nos detectores.
DAMA/LIBRA vs COSINE-100
→ WIMPs têm interação com núcleo, e o “vento” de DM do modelo adotado geraria um sinal de modulação (cosseno) nos dados. O experimento DAMA/LIBRA alega ter visto essa modulação, mas a região de sensibilidade de seus detectores seria excluída por outros experimentos.
→ O experimento COSINE-100 busca ser contra-prova com mesmo tipo de detector (cristais de NaI(Tl)), mas com mais controle de ambiente e outras variáveis.
4 Esquema do aparato experimental COSINE-100 Gráfico de exclusão para vários experimentos de Matéria escura. A região acima da linha é excluída pelo experimento.
Primeiros resultados - COSINE-100
→ Com cerca de 2 anos de dados, o experimento COSINE-100 não observou nenhuma modulação. Porém, são necessários mais dados para uma conclusão definitiva.
→ O que poderia gerar modulação além da matéria escura? → Múons também possuem modulação anual conhecida.
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Análise de modulação
→Modelo:
p:Offset : fase A e B: Amplitudes de modulação L: ligado a meia-vida de origem cosmogênica
→ A modulação está ligada ao cosseno, as outras partes do modelo são relacionadas ao
→ Estamos interessados na taxa de eventos (frequência), dada por contagens/livetime onde livetime → Tempo de “good runs”, quando temos aquisições em que não há
problemas com nenhum dos detectores.
R=rate (contagens/dia) C=contagem L=livetime (s) D=contagens em DRU (contagens/kg/keV/dia)
E=intervalo de energia (keV) m=massa do detector (kg)
→ Iremos comparar 2 tipos de seleção: BDT e DAMAES (2 parâmetros relativos à forma do sinal, próprios de cada experimento, COSINE-100 e DAMA/LIBRA, respectivamente), e dois tipos de calibração (Am241 →BDT1 e Co-60→ BDT2).
Cálculo de incerteza experimental
7 Contagem: DRU:
Comparação DAMAES - BDT
A seleção de ambos é ligeiramente diferente.
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Cálculo de modulação - DAMAES
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Taxa de eventos (em DRU) em função do dia para os dados dos cristais 3 (C3) e 7 (C7) do COSINE-100 após a seleção de eventos DAMAES
Cálculo de modulação - DAMAES
Subtraímos o background para conseguir a contagem residual.
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Taxa de eventos (em DRU) dos resíduos (após subtração do background) em função do dia para os dados dos cristais 3 (C3) e 7 (C7) do COSINE-100 após a seleção de eventos DAMAES .
Cálculo de modulação - BDT1
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Taxa de eventos (em DRU) em função do dia para os dados dos cristais 3 (C3) e 7 (C7) do COSINE-100 após a seleção de eventos DAMAES
Cálculo de modulação - BDT1
Subtraímos o background para conseguir a contagem residual
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Taxa de eventos (em DRU) dos resíduos (após subtração do background) em função do dia para os dados dos cristais 3 (C3) e 7 (C7) do COSINE-100 após a seleção de eventos DAMAES
Cálculo de modulação - BDT2
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Taxa de eventos (em DRU) em função do dia para os dados dos cristais 3 (C3) e 7 (C7) do COSINE-100 após a seleção de eventos DAMAES
Cálculo de modulação - BDT2
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Taxa de eventos (em DRU) dos resíduos (após subtração do background) em função do dia para os dados dos cristais 3 (C3) e 7 (C7) do COSINE-100 após a seleção de eventos DAMAES
Teste F - Comparação dos dois cuts - DAMA e BDT1
15 Como temos o mesmo NDF,
o valor esperado é 1, logo não podemos
Teste F - Comparação dos dois cuts - BDT1 e BDT2
16 1/0.58 = 1.72
Não é tão indiscernível quanto a análise anterior, mas podemos considerar como a mesma.
Contudo a análise ainda é consistente para o C7
→ Os dados de resíduos são totalmente compatíveis entre si
Teste F - Resíduos
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Teste F chi²/NDF DAMA BDT1 BDT2
X/Y 0,897 0,948 1,006
DAMA 0,897 1,057 1,122
BDT1 0,948 0,946 1,061
BDT2 1,006 0,892 0,942
Teste F chi²/NDF DAMA BDT1 BDT2
X/Y 0,994 1,117 1,788 DAMA 0,994 1,124 1,799 BDT1 1,117 0,890 1,601 BDT2 1,788 0,556 0,625 C3 C7
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Modulação no Experimento DAMA/LIBRA
● Experimento DAMA/LIBRA possui 250 kg de cristais de NaI(Tl).
● Tomados dados por cerca de 13 anos.
● Observada uma modulação com amplitude igual a 0.0095 ± 0.0008 (cpd/kg/keV) para o período fixo em 1 ano e fase fixa em 152.5 dias.
● O experimento COSINE-100 possui cerca de 3 anos de dados tomados com 8 cristais, totalizando 106 kg de NaI(Tl).
● Seria possível observar essa modulação com dados de apenas 1 cristal do COSINE-100?
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Simulações da modulação do DAMA/LIBRA
● Feitas simulações dos eventos observados no cristal 3, cuja massa é de 9.2 kg. ● As simulações consideraram o fundo observado no cristal 3.
● Intervalos de tempo de 15 dias, assim como nos dados experimentais. ● Realizadas 10000 simulações.
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Simulações da modulação do DAMA/LIBRA
● Resíduos calculados ao ajustar o fundo aos dados, e subtrair o número de eventos pelo fundo calculado utilizando os parâmetros do ajuste.
● Cosseno ajustado aos resíduos com fase e período fixos em 152.5 e 365.25, respectivamente.
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Simulações da modulação do DAMA/LIBRA
● Primeiramente, foram simulados cerca de 3 anos de dados (70 pontos).
Taxa de eventos (em DRU) dos resíduos (após subtração do background) em função do dia para uma das 10000 simulações realizadas para 70 pontos
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Simulações da modulação do DAMA/LIBRA
Am = 0.00911 ± 0.00011 dru
Podemos ignorar a flutuação estatística de σAm Teste z z = 3.40 χ2m = 67.21 ± 0.12 NDF = 69 χ2 < χ2crit 89 ± 9 contagens. χ2 > χ2crit 33 ± 6 contagens.
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Simulações da modulação do DAMA/LIBRA
● Foram, então, simulados cerca de 13 anos de dados (317 pontos).
Taxa de eventos (em DRU) dos resíduos (após subtração do background) em função do dia para uma das 10000 simulações realizadas para 317 pontos
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Simulações da modulação do DAMA/LIBRA
Am = 0.00958 ± 0.00004 dru
Podemos ignorar a flutuação estatística de σAm Teste z z = 1.84 χ2m = 315.58 ± 0.25 NDF = 316 χ2 < χ2crit 45 ± 7 contagens. χ2 > χ2crit 49 ± 7 contagens.
Conclusão
→ Métodos de seleção de eventos são equivalentes (ainda em estudo).
→ Necessário tomar dados por mais anos para observar uma modulação com amplitude da ordem da observada no experimento DAMA/LIBRA em apenas 1 cristal.
→ Modulação observada nos dados dos 8 cristais do COSINE-100 com cerca de 2 anos de dados foi de 0.0083 ± 0.0068 (cpd/kg/keV). Utilizada seleção BDT.
→ Analisar a modulação utilizando a seleção de eventos do DAMA/LIBRA (DAMAES) (em estudo).
→ Ajustar componente referente ao fundo (constante + exponencial) e à modulação anual (cosseno) diretamente aos dados, sem calcular os resíduos como passo intermediário.
Referências
❏ N. Wolchover. “Trouble Detected in Infamous Dark Matter Signal”. Revista QuantaMagazine, 2018.
❏ R. Bernabei et al., Nucl. Phys. At. Energy 19, 307 (2019).
❏ <https://www.medcalc.org/manual/chi-square-table.php>. Acesso em: 24 de julho de 2020.
❏ P. Adhikari et al. (COSINE-100 Collaboration), Eur. Phys. J. C 78, 490 (2018). ❏ G. Adhikari et al., Nature 564, 83 (2018).
❏ G. Adhikari et al., Eur. Phys. J. C 78:107 (2018).
❏ G. Adhikari et al. (COSINE-100 Collaboration) Phys. Rev. Lett 123, 031302 (2019).
