[論文レビュー] Cosmogenic background simulations for the DARWIN observatory at different underground locations

Martín F. Adrover, L. Althueser+181 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、4つの候補地下実験施設におけるDARWIN液体キセノン時間投影連合器における宇宙線生成背景生成を詳細なモンテカルロシミュレーションで行う。MUSUNから得た現実的なミューオンエネルギースペクトルを用いたカスタムGeant4フレームワークにより、137Xe やトリチウムなどの主要核種の活性化率を計算したところ、137Xe の生成は従来の推定値よりも約8倍低く、すべての施設で8Bニュートリノ背景を下回ることが判明した。これは、施設選定に追加の選別基準を設ける必要があることを示している。

ABSTRACT

Xenon dual-phase time projections chambers (TPCs) have proven to be a successful technology in studying physical phenomena that require low-background conditions. With 40t of liquid xenon (LXe) in the TPC baseline design, DARWIN will have a high sensitivity for the detection of particle dark matter, neutrinoless double beta decay ($0 u\beta\beta$), and axion-like particles (ALPs). Although cosmic muons are a source of background that cannot be entirely eliminated, they may be greatly diminished by placing the detector deep underground. In this study, we used Monte Carlo simulations to model the cosmogenic background expected for the DARWIN observatory at four underground laboratories: Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), Sanford Underground Research Facility (SURF), Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) and SNOLAB. We determine the production rates of unstable xenon isotopes and tritium due to muon-included neutron fluxes and muon-induced spallation. These are expected to represent the dominant contributions to cosmogenic backgrounds and thus the most relevant for site selection.

研究の動機と目的

• 異なる地下施設における液体キセノンにおけるミューオン誘発反応に起因する宇宙線生成背景寄与を評価すること。
• 岩石およびコンクリート遮蔽の137Xe、トリチウム、その他の核種の活性化への影響を評価すること。
• DARWIN実験の最終的な施設選定を支援するため、主要背景核種の更新された施設依存の生成率を提供すること。
• MUSUNから得た現実的なミューオンエネルギー・角度相関を用いることで、背景予測の正確性を向上させること。

提案手法

• 強化されたミューオン追跡および遮蔽モデルを備えたカスタムDARWIN-Geant4シミュレーションフレームワークを開発した。
• MUSUNソフトウェアパッケージから得た現実的なエネルギー・角度相関を用いたミューオンジェネレータを実装した。
• Shielding物理リストを用いて、岩石、コンクリート、液体キセノンにおけるミューオン誘発スパラレーションおよび中性子捕獲反応をシミュレートした。
• 系統的不確実性を推定するために、ShieldingLENDおよびQGSP BIC HP物理リストを用いた補足的シミュレーションを実施した。
• 9.3年間のシミュレートされた有効時間にわたり、125Xe、127Xe、133Xe、135Xe、137Xe、およびトリチウムの生成率を追跡した。
• 異なる物理リストの結果を比較することで系統的誤差を算出し、最終的な生成率推定値に適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DARWIN TPCにおける異なる地下実験施設の137Xeおよびトリチウムの施設依存の宇宙線生成活性化率は何か？
• RQ2 岩石およびコンクリート遮蔽の変動が、液体キセノンにおけるミューオン誘発背景生成にどのように影響するか？
• RQ3 ミューオン誘発スパラレーションおよび中性子捕獲反応が、低エネルギー電子反発領域における背景にどの程度寄与するか？
• RQ4 更新された137Xe生成率は従来推定値と比較してどう異なるか？また、0νββ崩壊感度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 137Xeおよびトリチウム以外のどの核種が無視できない宇宙線生成活性化を示し、WIMPまたはALP探索における背景に寄与する可能性があるか？

主な発見

• 137Xe の生成率は、Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) において (4.63±0.02±0.16sys)×10⁻² kg⁻¹yr⁻¹ と推定され、従来の推定値よりも顕著に低い。
• 4か所のすべての施設における137Xe の生成率は、8Bニュートリノ散乱による背景レベルを下回っており、これ以上主要な背景源ではないことが示された。
• トリチウムの生成率は 10⁻² kg⁻¹yr⁻¹ と推定され、従来値と整合的であり、低エネルギー電子反発探索において重要である。
• 127Xe は、研究されたキセノン同位体の中で最も高い生成率を示し、LNGS では (6.39±0.02±0.60sys)×10⁻² kg⁻¹yr⁻¹ であった。これは背景モデル化において潜在的に関連性があることを示唆している。
• 121Cs、135Sn、123Te を出発点とする崩壊系列からの核種が、低エネルギー背景の潜在的寄与要因として特定され、さらなる研究が求められる。
• 物理リストの違いに起因する系統的不確実性は、大多数の核種で約10–15%と推定され、最大の寄与はQGSP BIC HPリストに起因している。