[論文レビュー] Dark Matter Search Backgrounds from Primordial Radionuclide Chain Disequilibrium

D.C. Malling, S. Fiorucci+5 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2013

Nuclear Physics and Applications参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、初期の238U崩壊鎖（特に238Uや210Pbの過剰）に起因する初期崩壊鎖の非平衡状態が、標準的なガンマ線ラジオアッセイで低汚染とされる場合でも、ダークマター検出器における中性子およびガンマ線背景を顕著に上昇させることを調査している。モンテカルロシミュレーションにより、226Raの崩壊鎖が中性子生成において支配的（初期崩壊鎖の10倍以上）であることが示され、NR優勢の実験では非平衡状態に極めて感受性を示す。238U初期崩壊鎖が226Raの60倍に達する場合、中性子背景は最大6倍にまで上昇するが、ER背景は比較的変化が小さい。

ABSTRACT

Dark matter direct-detection searches for weakly interacting massive particles (WIMPs) are commonly limited in sensitivity by neutron and gamma backgrounds from the decay of radioactive isotopes. Several common radioisotopes in detector construction materials are found in long decay chains, notably those headed by 238U, 235U, and 232Th. Gamma radioassay using Ge detectors identifies decay rates of a few of the radioisotopes in each chain, and typically assumes that the chain is in secular equilibrium. If the chains are out of equilibrium, detector background rates can be elevated significantly above expectation. In this work we quantify the increase in neutron and gamma production rates from an excess of various sub-chains of the 238U decay chain. We find that the 226Ra sub-chain generates x10 higher neutron flux per decay than the 238U early sub-chain and 210Pb sub-chain, in materials with high (alpha,n) neutron yields. Typical gamma screening results limit potential 238U early sub-chain activity to x20-60 higher than 226Ra sub-chain activity. Monte Carlo simulation is used to quantify the contribution of the sub-chains of 238U to low-energy nuclear recoil (NR) and electron recoil (ER) backgrounds in simplified one tonne liquid Ar and liquid Xe detectors. NR and ER rates generated by 238U sub-chains in the Ar and Xe detectors are found after comparable fiducial and multiple-scatter cuts. The Xe detector is found to have x12 higher signal-to-background for 100 GeV WIMPs over neutrons than the Ar detector. ER backgrounds in both detectors are found to increase weakly for excesses of 238U early sub-chain and 210Pb sub-chain relative to 226Ra sub-chain. Experiments in which backgrounds are NR-dominated are sensitive to undetected excesses of 238U early sub-chain and 210Pb sub-chain concentrations. Experiments with ER-dominated backgrounds are relatively insensitive to these excesses.

研究の動機と目的

• 直接的ダークマター検出実験における238U崩壊鎖の非平衡状態が中性子およびガンマ線背景に与える影響を評価すること。
• 標準的なガンマ線ラジオアッセイが、初期崩壊鎖に存在する低効率ガンマ線放出核種による総背景寄与を低く見積もる可能性があることの定量的評価。
• 液体アルゴンおよび液体キセノン検出器が238Uの部分的崩壊鎖の非平衡状態、特に中性子誘発核反発事象に対してどれほど感受性を示すかを評価すること。
• ガンマ線ラジオアッセイと質量分析法の比較を通じて、検出器材料における非平衡状態の検出効果を評価すること。
• ER優勢かNR優勢かの背景が、238U崩壊鎖の未検出部分的過剰に対してどちらがより感受性を示すかを特定すること。

提案手法

• モンテカルロシミュレーションにより、さまざまな非平衡状態下での1トン級液体アルゴンおよび液体キセノン検出器における中性子およびガンマ線イベントレートをモデル化。
• 238U崩壊鎖は3つの部分に分けられる：238U初期部分、226Ra部分、210Pb部分。各部分は異なる崩壊特性と(α,n)中性子生成率を有する。
• 低エネルギー核反発（NR）および電子反発（ER）イベントの背景レートを計算し、実験的選択を模倣するためのフィducialボリュームカットを適用。
• 定常平衡の仮定を検証するため、226Ra（標準スクリーニングで使用される主なガンマ線放出核種）に対する部分的崩壊鎖の活動度を変化させた条件を検討。
• 100 GeVのWIMPに対する信号対背景比を用いて、中性子およびガンマ線背景の寄与を評価し、検出器間の感度を比較。
• Ge検出器を用いたガンマ線ラジオアッセイの限界を評価し、238Uを直接検出可能な質量分析法の利点を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 238U崩壊鎖が定常平衡から逸脱している場合、特に238U初期部分または210Pb部分の活動が過剰である場合、中性子およびガンマ線背景レートはどのように変化するか？
• RQ2 高(α,n)生成率を示す材料（例：F や Al）において、226Ra部分と238U初期部分および210Pb部分の間で、中性子生成への相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 低ガンマ線放出確率に起因する非平衡状態が、標準的なガンマ線ラジオアッセイ技術ではどれほど検出されにくいか？
• RQ4 液体アルゴンおよび液体キセノン検出器において、非平衡状態下でのNRおよびERイベントの背景レートは、それぞれどのように比較されるか？
• RQ5 NR優勢かER優勢かのどちらの検出器タイプが、未検出の部分的過剰に対して背景レートが最も感受性を示すか？

主な発見

• 238U初期部分または210Pb部分の崩壊は、F や Al などの高(α,n)生成率材料において、226Ra部分の崩壊に比べて約10倍少ない中性子フラックスを生成する。
• Ge検出器を用いたガンマ線スクリーニングでは、226Ra部分の崩壊に対して238U初期部分の崩壊より20～60倍感受性が高い。これはガンマ線放出強度がより高いからである。
• 238U初期部分の濃度が226Ra部分の60倍に達する場合、完全な定常平衡下での予測に比べて中性子放出レートが6倍にまで上昇する。
• 中性子背景を考慮した場合、100 GeVのWIMPに対するXe検出器の信号対背景比はAr検出器の12倍高い。
• 238U初期部分の活動が平衡状態の100倍に達しても、ArおよびXe検出器のER背景は2倍未満にしか増加せず、210Pb部分はほとんど影響がない。
• NR優勢の実験では238U初期部分および210Pb部分の過剰に対して非常に感受性を示すが、ER優勢の実験ではその非平衡状態に対して相対的に感受性が低い。