[論文レビュー] After LUX: The LZ Program

D.C. Malling, D. S. Akerib+72 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 51

ひとこと要約

LZ計画は、液体キセノン時間投影連合器を用いた2段階の直接検出実験を提案し、弱い力で相互作用する巨大粒子（WIMP）を探索する。最初の段階は1.5–3トンの検出器、2番目の段階は20トンの検出器である。主な結果として、LZDはスピン非依存のWIMP-核子断面積感度を$3 \times 10^{-48}$ cm²（1つのバックグラウンド事象の場合$5 \times 10^{-49}$ cm²）に達するが、これは不可避なニュートリノのコherent散乱バックグラウンドによって制限される。

ABSTRACT

The LZ program consists of two stages of direct dark matter searches using liquid Xe detectors. The first stage will be a 1.5-3 tonne detector, while the last stage will be a 20 tonne detector. Both devices will benefit tremendously from research and development performed for the LUX experiment, a 350 kg liquid Xe dark matter detector currently operating at the Sanford Underground Laboratory. In particular, the technology used for cryogenics and electrical feedthroughs, circulation and purification, low-background materials and shielding techniques, electronics, calibrations, and automated control and recovery systems are all directly scalable from LUX to the LZ detectors. Extensive searches for potential background sources have been performed, with an emphasis on previously undiscovered background sources that may have a significant impact on tonne-scale detectors. The LZ detectors will probe spin-independent interaction cross sections as low as 5E-49 cm2 for 100 GeV WIMPs, which represents the ultimate limit for dark matter detection with liquid xenon technology.

研究の動機と目的

• より大きな液体キセノン検出器を用いて、LUX実験を超える直接的ダークマター検出感度を拡張すること。
• 液体キセノン検出器の最終的感度を制限する不可避なバックグラウンド、特にコherent散乱ニュートリノを特定および定量化すること。
• 2段階のLZ計画の性能を予測すること：1.5–3トンの検出器（LZS）と20トンの検出器（LZD）。
• 液体キセノン技術が直接WIMP探索において達成可能な技術的および物理的限界を特定すること。
• 液体キセノン時間投影連合器を用いたスピン非依存WIMP相互作用の最終的感度しきい値を確立すること。

提案手法

• LZ計画は、質量を増加させる液体キセノン時間投影連合器（TPC）を2段階で採用する：1.5–3トン（LZS）および20トン（LZD）。
• バックグラウンドは、8B太陽ニュートリノ、大気ニュートリノ、および拡散超新星ニュートリノからのニュートリノのコherent散乱を用いてモデル化され、エネルギースペクトルは検出器のエネルギー分解能と畳み込まれる。
• 電子反発バックグラウンドは、p-pおよび7Be太陽ニュートリノ、および136Xeの2ニュートリノ双ベータ崩壊を用いてモデル化され、99.5%の拒否率が適用される。
• 光電子増倍管（PMT）内の(α,n)反応および238Uの核分裂からの中性子バックグラウンドは、R11410 MOD PMTを用いて推定される。
• 検出性能は、50%の中性子反発受容率およびkeVr/keVee換算係数0.3を用いて予測される。
• 感度限界は、露出量（kg・日）、バックグラウンド事象率、およびWIMP-核子断面積の仮定に基づいて計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体キセノン検出器がスピン非依存のWIMP-核子散乱に対して達成可能な最終的感度限界は何か？
• RQ2 太陽、大気、および拡散超新星ニュートリノからのコherent散乱ニュートリノバックグラウンドは、低質量WIMPの検出にどのように影響するか？
• RQ3 PMTの放射性崩壊（238U、232Th）および(α,n)反応からのバックグラウンドは、大規模液体キセノン検出器の性能をどの程度制限するか？
• RQ4 LZD検出器は100 GeVのWIMPに対して$10^{-48}$ cm²未満の感度を達成可能か？また、そのために必要なバックグラウンド条件は何か？
• RQ5 LZ計画の予測性能は、LUXやXENON100といった既存の実験と比較してどの程度か？

主な発見

• 20トンの液体キセノン標的に搭載されたLZD検出器は、1.4 × 10^7 kg・日という露出量と10個の中性子反発バックグラウンド事象を仮定した場合、100 GeVのWIMPに対して90%信頼水準の遮断限界を$3 \times 10^{-48}$ cm²に達する見込みである。
• 同じ露出量で中性子反発バックグラウンド事象が1つだけの場合、感度は$5 \times 10^{-49}$ cm²に向上する。
• 1.5–3トンのLZS検出器は、$4 \times 10^{-47}$ cm²の感度に達する見込みであり、LUXの限界を10倍以上改善する。
• 1–50 keVrのWIMP探索領域において、8B太陽ニュートリノからのコherent散乱ニュートリノが支配的な不可避バックグラウンドとなっており、さらなる感度向上を制限している。
• 太陽のp-pおよび7Beニュートリノからの電子反発バックグラウンドは、200 keVまでPMTの放射性崩壊のバックグラウンドを上回り、136Xeの2ニュートリノ双ベータ崩壊は60 keV以上で顕著に寄与する。
• LZD検出器は、避けられないニュートリノのコherent散乱の下限によって制限されるため、直接WIMP検出における液体キセノン技術の物理的および技術的限界を表している。