Search for dark matter: dark photons and solar axions in the COSINE-100 experiment

Diversas observações astrofísicas evidenciam a existência da matéria escura no universo. Entretanto, apenas sua interação gravitacional com a matéria bariônica é conhecida, sendo necessário o entendimento de outras interações a fim de compreender sua natureza. Inúmeras teorias foram desenvolvidas com o intuito de explicar as propriedades das partículas de matéria escura, sendo o principal candidato já há alguns anos os WIMPs. Apesar de diversos experimentos ao redor do mundo procurarem pelos WIMPs, nenhum obteve resultados positivos contundentes até o momento, incentivando a busca por outros candidatos à matéria escura. Em especial, candidatos à matéria escura bosônica, cujos principais exemplos são os fótons escuros e áxions, vêm atraindo atenção em estudos recentes, principalmente pelo fato de detectores modernos começarem a ter sensibilidade suficiente para serem competitivos com limites superiores estabelecidos por observações astrofísicas. Um destes experimentos é o COSINE-100, localizado no laboratório subterrâneo de YangYang na Coreia do Sul, cujos principais detectores são 106 kg de cristais de NaI(Tl), e está em operação desde 2016. A principal fonte de matéria escura bosônica na Terra seria o Sol, sendo responsável pelos principais limites superiores determinados por observações astrofísicas nos modelos dos fótons escuros e áxions com massa abaixo de 1 keV. Até o momento, experimentos vêm pesquisando a matéria escura solar procurando por um excesso de eventos em seus detectores. No entanto, em experimentos com alguns anos de dados, também é possível buscar por uma modulação anual na taxa de eventos medida, decorrente do movimento de translação terrestre. O foco deste trabalho é o estudo dos dados de cerca de 3 anos do COSINE-100, nos quais foram procurados eventos decorrentes de fótons escuros e áxions nos cristais de NaI(Tl). Foram estudados três modelos para a matéria escura solar através da procura pela modulação anual: fótons escuros, áxions DFSZ e KSVZ, e áxions de Kaluza-Klein. Como as modulações esperadas para cada modelo não foram encontradas nos dados, limites superiores para a massa das partículas de cada modelo, e para a constante de acoplamento cinético, no caso dos fótons escuros, para a constante de acoplamento entre áxions e elétrons, no caso dos áxions DFSZ e KSVZ, e para a constante entre áxions e fótons, no caso dos áxions de Kaluza-Klein, foram determinados. Além disso, foi procurado um excesso de eventos gerados pelo decaimento de fótons escuros provenientes da interação inelástica da Boosted Dark Matter com o cintilador líquido do COSINE-100. Neste caso, também não foram encontrados eventos além dos esperados para o fundo.Several astrophysical observations show the existence of dark matter in the universe. However, only its gravitational interaction with baryonic matter is known, requiring the knowledge of other types of interactions in order to understand its nature. Countless theories were developed intending to explain the dark matter particles properties. The WIMPs are the main candidates for some years already. Although several experiments all over the world search for the WIMPs, none have obtained categorical positive results until this moment, which encourages the search for other dark matter candidates. Particularly, bosonic dark matter candidates, whose main examples are the dark photons and axions, are attracting the attention of recent studies, especially due to the fact that modern detectors are beginning to have enough sensibility to be competitive with upper limits determined by astrophysical observations. One of these experiments is COSINE-100, situated at the YangYang underground laboratory in South Korea, whose primary detectors are 106 kg of NaI(Tl) crystals, and is in operation since 2016. The main bosonic dark matter source at Earth would be the Sun, which is responsible for the best upper limits established by astrophysical observations in dark photons and axions models with mass below 1 keV. Until now, experiments are searching for solar dark matter by looking for excess events in their detectors. Nevertheless, in experiments with some years of data, it is also possible to look for an annual modulation in the event rate measured, due to the Earth translation movement. The aim of this work is the study of around 3 years data of COSINE-100, in which events generated by dark photons and axions in the NaI(Tl) crystals were searched. Three models for solar dark matter were analyzed through the search for the annual modulation: dark photons, DFSZ and KSVZ axions, and Kaluza-Klein axions. Since the expected modulations for each model were not found in the data, upper limits for the particle mass of each model, and for the kinetic mixing constant, in the dark photons case, for the coupling between axions and electrons, in the DFSZ and KSVZ axions case, and for the coupling between axions and photons, in the Kaluza-Klein axions case. In addition, excess events produced by the decay of dark photons from the inelastic interaction of Boosted Dark Matter with the COSINE-100 liquid scintillator were investigated. In this case, excess events over the expected background were not found as well