Annual modulation results from three-year exposure of ANAIS-112
J. Amare, S. Cebrian, D. Cintas, I. Coarasa, E. Garcia, M. Martinez, M. A. Olivan, Y. Ortigoza, A. Ortiz de Solorzano, J. Puimedon, A. Salinas, M. L. Sarsa, P. Villar
ANAIS（Annual modulation with NaI Scintillators）是一项暗物质直接探测实验，由112.5 kg NaI（Tl）探测器组成，自2017年8月以来在西班牙Canfranc地下实验室（LSC）运行。ANAIS的目标是以一种独立于模型的方式证实或反驳DAMA/LIBRA的阳性结果：低能探测率的年度调制具有标准星系晕中暗物质粒子诱导信号的所有预期特征。这种调制，观察了大约20年，是在强烈的张力与其他非常敏感的实验的负面结果，但仍然缺乏一个独立的模型比较。通过使用相同的靶材料NaI（Tl），这种比较更直接，几乎不依赖于暗物质粒子和晕模型。在这里，我们提出了对应于3年ANAIS数据的年度调制分析（有效暴露量为313.95 kg $\times$ y），采用盲法程序，更新了1.5年分析的结果，后来应用于2年。该分析还改进了利率区域拟合的背景建模。我们得到了[1-6] keV的最佳拟合（[2-6] keV）能量区域a调制幅度为-0.0034 $\pm$ 0.0042 cpd/kg/keV（0.0003 $\pm$ 0.0037 cpd/kg/keV），支持我们的数据中不存在调制，并且与3.3的DAMA/LIBRA结果不一致（2.6）$σ$，灵敏度为2.5（2.7）$σ$。此外，我们还包括两个互补的分析：无相位的年度调制搜索和在其他频率的周期性信号的可能存在的探索。最后，我们对我们的结果进行了几次一致性检查，并更新了ANAIS-112计划的5年运行灵敏度。
英文摘要：
ANAIS (Annual modulation with NaI Scintillators) is a dark matter direct detection experiment consisting of 112.5 kg of NaI(Tl) detectors in operation at the Canfranc Underground Laboratory (LSC), in Spain, since August 2017. ANAIS' goal is to confirm or refute in a model independent way the DAMA/LIBRA positive result: an annual modulation in the low-energy detection rate having all the features expected for the signal induced by dark matter particles in a standard galactic halo. This modulation, observed for about 20 years, is in strong tension with the negative results of other very sensitive experiments, but a model-independent comparison is still lacking. By using the same target material, NaI(Tl), such comparison is more direct and almost independent on dark matter particle and halo models. Here, we present the annual modulation analysis corresponding to three years of ANAIS data (for an effective exposure of 313.95 kg$\times$y), applying a blind procedure which updates that developed for the 1.5 years analysis, and later applied to 2 years. The analysis also improves the background modelling in the fitting of the region of interest rates. We obtain for the best fit in the [1-6] keV ([2-6] keV) energy region a modulation amplitude of -0.0034$\pm$0.0042 cpd/kg/keV (0.0003$\pm$0.0037 cpd/kg/keV), supporting the absence of modulation in our data, and incompatible with DAMA/LIBRA result at 3.3 (2.6) $σ$, for a sensitivity of 2.5 (2.7) $σ$. Moreover, we include two complementary analyses: a phase-free annual modulation search and the exploration of the possible presence of a periodic signal at other frequencies. Finally, we carry out several consistency checks of our result, and we update the ANAIS-112 projected sensitivity for the scheduled 5 years of operation.
ANAIS-112 status: two years results on annual modulation
ANAIS（Annual Modulation with NaI Scintillators）是一个位于西班牙Canfranc地下实验室（LSC）的暗物质直接探测实验。我们的目标是以一种独立于模型的方式证实或反驳DAMA/LIBRA的阳性结果：低能探测率的年度调制与星系晕中暗物质粒子引起的预期信号相容。这个信号已经观察了大约20年，与其他非常敏感的实验的阴性结果有很大的矛盾，但是仍然缺乏使用相同靶材料NaI（Tl）的直接比较。ANAIS-112由112.5公斤NaI（Tl）蒸发器组成，自2017年8月以来一直在LSC收集数据。在这里，我们提出了初步的年度调制分析，对应于两年的数据（暴露量为220.69千克x y）和ANAIS-112预计的灵敏度为预定的5年的操作。
Background analysis and status of the ANAIS dark matter project
ANAIS（Annual modulation with NaI Scintillators）是一个项目，目的是在Canfranc地下实验室（LSC）的新设施中建立一个大规模的NaI（Tl）实验，以便使用相同的目标和技术探索DAMA/LIBRA年度调制的积极结果。由Alpha Spectra提供的两个12.5 kg NaI（Tl）晶体在ANAIS-25装置中的LSC处采集数据。ANAIS-25原型的背景模型与实验结果的比较。钍-232和铀-238链的ANAIS晶体放射性纯度目标已经实现，但Pb-210污染的平衡被确定，其来源已被研究。用这些原型获得的高光收集效率允许预期1 keVee量级的能量阈值。2015年3月收到了性能得到改进的新探测器，并显示了非常初步的结果。
ANAIS（用NaI（Tl）闪烁体进行年度调制）实验的目的是在Canfranc地下实验室（LSC）使用相同的目标和技术确认DAMA/LIBRA信号。将使用250公斤超纯NaI（Tl）晶体作为靶，分成20个模块，每个模块质量为12.5公斤，并与两个来自Hamamatsu的高效光电倍增管耦合。LSC的ANAIS-25装置由两个原型组成，总量为25 kg NaI（Tl），由钾含量低于我们分析技术极限的粉末生长而成，并安装在LSC的方便屏蔽中。背景已经仔细分析，主要结果将在本文中总结，重点是在原型和相关的背景贡献中确定的α污染。此外，还将修订ANAIS实验目标的实现状况和ANAIS-250实验建设的前景。
Analysis of the 40K contamination in NaI(Tl) crystals from different providers in the frame of the ANAIS project
利用NaI（Tl）大晶体在探测器中的闪烁信号，通过探测器中目标核的弹性散射，寻找银河系中的暗物质粒子。然而，以核反冲形式沉积的能量很小，这增加了将该能量转换成闪烁的低效率，使得处于或非常接近能量阈值的事件，归因于放射性背景或伪噪声（非本体NaI（Tl）闪烁事件），可以损害这样的实验的灵敏度目标。DAMA/LIBRA实验，使用250公斤碘化钠（铊）目标，报告了第一个证据的存在，每年调制的检测率与预期的暗物质信号在6 keVee（电子当量能量）以下的区域兼容。在ANAIS（Annual modulation with NaI Scintillators）暗物质搜寻计划的框架内，为了理解大型碘化钠探测器中极低能量事件的起源，并开发方便的滤波器以滤除那些与大块NaI（Tl）晶体中的闪烁无关的事件，进行了大量而长期的努力。40 K可能是NaI（Tl）探测器中最相关的放射性污染物，因为它在非常低的能量下对本底有重要的贡献。ANAIS的目标是达到或低于20 ppb的天然钾水平。在本文中，我们将报告我们的努力，以确定40 K污染的几个NaI（Tl）晶体之间的符合测量，其中两个（或更多）。本文将比较不同供应商的晶体40 K含量的结果，并简要回顾ANAIS暗物质搜索实验的前景。
Bulk NaI(Tl) scintillation low energy events selection with the ANAIS-0 module
从一些目标核散射的暗物质粒子预计以核反冲的形式沉积非常小的能量（低于100 keV）。由于核反冲与电子反冲的闪烁效率低，在寻找暗物质时考虑的大多数闪烁目标中，低于10 keVee的区域集中了大部分预期的暗物质信号。为此，需要非常低的能量阈值（等于或低于2keVee）和非常低的背景。ANAIS（Annual Modulation with NaI Scintillators）实验。对真实闪烁事件的探测器响应函数的良好了解，对在该能量范围内起作用的其他异常或噪声事件群体的良好表征，以及对后者的方便的滤波程序的开发是强制性的，以在如此低的能量下实现所需的低背景。在这项工作中，我们将提出具体的协议，选择散装闪烁事件在碘化钠（铊），其应用程序获得的数据与ANAIS-0原型。预期在NaI（Tl）中由核或电子反冲产生的闪烁脉冲中的时间常数略有差异，因此为了分析这些过滤程序在可归因于暗物质的反冲群体的情况下的效果，使用了中子校准的数据。
DAMA/LIBRA-阶段1和之前的DAMA/NaI数据（累积暴露量为1.33吨$\times$/年，对应于14个年度周期）提供了9.3 $σ$ C. L的证据。利用高放纯NaI（Tl）靶，在已开发的与模型无关的暗物质年调制特征的基础上，对星系晕中是否存在暗物质粒子进行了研究。结果和比较将很快得到解决，以及目前正在运行的DAMA/LIBRA-phase 2的前景。最后，在本研讨会的讨论部分中提出的一些论点在附录中提到。
低温暗物质搜索实验（CDMS）采用低温Ge和Si探测器通过目标核的弹性散射来探测WIMP。最后一次分析中，锗暴露量为397.8千克-天，没有观测到任何候选事件，因此，当WIMP质量为60 GeV时，与自旋无关的WIMP-核子截面的上限为6.6 x 10 ^{-44} cm ^2（如果包括之前的CDMS Soudan数据，则为4.6 x 10^{-44} cm ^2）。将讨论当前分析的表面事件抑制能力的改进，其中锗暴露比上次分析中使用的暴露大2.5倍。为了将灵敏度提高到超过1 x 10^{-44} cm ^2的基准，研制了新的1英寸厚的探测器。由六个这种探测器组成的第一个塔已成功地安装在苏丹场址。这些探测器将用于15 kg的SuperCDMS级，预期对自旋无关的WIMP-核子弹性散射截面的灵敏度为5 x 10^{-45} cm ^2。此外，CDMS协作组已经开始寻找非WIMP暗物质粒子的特征，这可能解释DAMA观测到的年度调制特征。
Statistics of Daily Modulation in Dark Matter Direct Detection Experiments
The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；University of Toronto（多伦多大学）；University of Oregon（俄勒冈大学）
