Analysis of Dark Matter Direct Detection Experiments with WimPyDD
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 Stefano Scopel
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000066484
- UCI I804:11029-000000066484
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
All over the world, plenty of experiments are on-going to detect Weakly Interacting Massive Particles(WIMPs), the most popular Dark Matter(DM) candidates, through their scattering with nuclei. The interaction of WIMP-nucleous scattering of the non-relativistic effective Hamiltonian is considered in the experiments. Experimental results can be analyzed assuming a non-relativistic effective Hamiltonian to parameterize the interaction between the WIMP and the nucleus. The experiments have various features such as the target, effeciency, the energy resolution and nuclear form factors and models of WIMP, so that the calculation can be involved. It can be handled more conveniently by using WimPyDD the object-oriented and customizable python code developed by our group that calculates accurate predictions for the expected rates in WIMP direct-detection experiments within the framework of Galilean-invariant non-relativistic effective theory. From calculating experimental response functions, one can get cross section and theoretical predictions for the direct detection rate and obtain the exclusion plots for each experiment in the case of a WIMP of spin 1/2, for which a total of 14 operators arise for each protons and neutrons. In the case of WIMP of arbitrary spin, 4+20 times number of spin effective couplings arise. We used WimPyDD to analyze the phenomenology of each of the 44 operators arising for spin less equal to 2. For high values of the multipolarity less equal to 2 times number of spin of the coupling, powers of the momentum transfer q appear in the scattering amplitude, leading to a suppression of the expected rates. For operators with large s the expected differential spectra can be pushed to recoil energies in the MeV range, with a peculiar structure of peaks and minima arising when both the nuclear target and the WIMP are heavy. As a consequence the present bounds on the effective operators can be significantly improved by extending the experimental recoil energy intervals to higher recoil energies.
more초록 (요약문)
전 세계에 걸쳐, 암흑물질의 가장 유력한 후보 중 하나인 Weakly Interacting Massive Particles(WIMPs)를 발견하기 위한 많은 실험이 핵자와의 산란을 통 시행되고 있다. 핵과 WIMP 사이의 상호작용을 매개변수화 하기위해 비상대론적인 Hamiltonian을 가정하여 실험적 결과들을 분석한다. 이 실험들이 가지는 많은 특징들과 다양한 WIMP의 모델을 생각할 수 있으므로 계산이 복잡해질 수 있다. 이것은 우리 그룹에서 개발한 객체 지향적이고 편집가능한 python 코드인 WimPyDD를 사용하여 비교적 간편하게 다뤄 수 있다. 이것으로 WIMP 직접 검출 실험에서 Galilean-invariant한 비상대론적인 effective theory를 이용해 expected rate의 정확한 예측을 계산할 수 있다. 우선 response function을 계산하여 cross section과 직접적인 detection rate의 이론적 예측을 구할 수 있고, 양성자와 중성자에 대해 총 14개의 연산자가 고려되는 스핀 1/2의 WIMP의 경우에 대해 각 실험들의 exclusion plot들을 얻을 수 있다. 임의의 스핀의 경우에는 4+스핀의 20배의 effetive coupling들이 생긴다. 스핀이 2보다 작거나 같은 경우에 대해 각 44개의 연산자의 phenomenology에 대한 분석에도 WimPyDD가 사용된다. 높은 값의 다극성이 2X스핀보다 작거나 같은 경우 산란 진폭에 나타나는 운동량 전이의 항이 expected rate의 억제를 이끈다. 큰 s의 연산자에 대해 expected differential spectra가 핵 표적과 WIMP가 모두 무거울 때 발생하는 피크와 최소값의 독특한 구조를 가지면서 recoil energy를 MeV 범위로 밀어낼 수 있다. 결과적으로 효과적인 연산자에 대한 present bound는 실험적인 recoil energy 간격을 더 높은 recoil energy로 확장함으로써 상당히 개선될 수 있다.
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