非弹性散射直接探测实验中事件率与电子反冲能量的年度调制

2020年，XENON1T 实验观察到电子反冲能量 $E_R$ 在 $2\,$--$\,3\,$keV 范围内的事件超出。这种超出可能源于多种来源，如太阳轴子或中微子磁矩，也可能源于暗物质与氙原子的非弹性散射。电子的反冲能量进而取决于暗粒子的质量差。在本文中，我们表明事件率和电子反冲能量的年度调制提供了重要的附加信息，可用于区分对该信号的不同理论解释。为此，我们首先将年度调制的理论体系推广至电子反冲、非弹性暗物质散射以及电子反冲能量。随后，我们研究了一个包含两个狄拉克费米子和一个暗光子的具体理论模型。我们考虑了该模型的所有相关宇宙学和实验约束，并将其应用于具有实际探测阈值、效率和能量分辨率的 XENON1T 和 XENONnT 实验，以拟合模型的主要物理参数，即质量分裂和电子散射截面。接着，利用基于这些主要物理参数的简化模型，针对 XENONnT 展示了来自信号率和电子反冲能量年度调制的附加信息的判别能力。与仅基于时间调制的分析相比，这种更灵敏的方法也可作为具有不同暗物质候选者、媒介子和宇宙学的其他理论模型的模板。对于拟合 XENON1T 事件超出及 XENONnT 实验条件的包含两个狄拉克费米子的 $U(1)$ 模型，考虑信号率和反冲能量的年度变化能够更快、更精确地确定自由模型参数。