利用氙非弹性跃迁探测暗物质的前景

暗物质可以在直接探测实验中散射并激发原子核至低能激发态。这一信号不同于典型的弹性散射信号，因为非弹性信号还包含随后原子核快速退激所沉积的能量。对弹性与非弹性信号的测量将使单个实验能够区分自旋无关与自旋相关相互作用。我们首次表征了两相氙探测器的非弹性信号，其中暗物质非弹性散射到 Xe-129 或 Xe-131 同位素。我们通过实现对典型吨级两相氙探测器的真实模拟，并仔细估计相关本底信号来完成此表征。利用我们的探测器模拟，我们探究了轴矢量相互作用的非弹性信号是否可被即将建成的吨级探测器探测到。我们发现两相探测器允许信号与本底间的某种甄别，从而有可能探测到非弹性散射到 Xe-129 或 Xe-131 同位素的暗物质，前提是暗物质粒子质量大于约 100 GeV。如果经过两年数据后，XENON1T 对弹性散射原子核的搜索未发现暗物质证据，则探测到轴矢量相互作用非弹性信号的可能性将几乎被完全排除。