[論文レビュー] DarkSide-20k: A 20 Tonne Two-Phase LAr TPC for Direct Dark Matter Detection at LNGS

C.E. Aalseth, Acerbi, F.+283 more|TUScholarShare (Temple University)|Jul 25, 2017

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 9

ひとこと要約

DarkSide-20k は、Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) で直接的ダークマター検出を目的として、20トンの2相液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー (LAr TPC) を提案している。外部背景を抑制するため、液体シンチレーション検出器と水チェレンコフ検出器の二重遮蔽システムを採用する。この設計は、DarkSide-50 実験の成功を基盤とし、スピン非依存 WIMP-核子散乱断面積に対する感度を 10^{-47} cm² 未満にまで向上させることを目的としており、弱い相互作用を示す大質量粒子 (WIMPs) の探索を顕著に前進させる。

ABSTRACT

Building on the successful experience in operating the DarkSide-50 detector, the DarkSide Collaboration is going to construct DarkSide-20k, a direct WIMP search detector using a two-phase Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) with an active (fiducial) mass of 23 t (20 t). The DarkSide-20k LArTPC will be deployed within a shield/veto with a spherical Liquid Scintillator Veto (LSV) inside a cylindrical Water Cherenkov Veto (WCV). Operation of DarkSide-50 demonstrated a major reduction in the dominant $^{39}$Ar background when using argon extracted from an underground source, before applying pulse shape analysis. Data from DarkSide-50, in combination with MC simulation and analytical modeling, shows that a rejection factor for discrimination between electron and nuclear recoils of $\gt3 imes10^9$ is achievable. This, along with the use of the veto system, is the key to unlocking the path to large LArTPC detector masses, while maintaining an "instrumental background-free" experiment, an experiment in which less than 0.1 events (other than $ν$-induced nuclear recoils) is expected to occur within the WIMP search region during the planned exposure. DarkSide-20k will have ultra-low backgrounds than can be measured in situ. This will give sensitivity to WIMP-nucleon cross sections of $1.2 imes10^{-47}$ cm$^2$ ($1.1 imes10^{-46}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass, to be achieved during a 5 yr run producing an exposure of 100 t yr free from any instrumental background. DarkSide-20k could then extend its operation to a decade, increasing the exposure to 200 t yr, reaching a sensitivity of $7.4 imes10^{-48}$ cm$^2$ ($6.9 imes10^{-47}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass.

研究の動機と目的

• 20トンのフィducial質量を有する2相液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー (LAr TPC) を用いて、大規模かつ高感度の直接的ダークマター検出器を構築すること。
• 球形の液体シンチレーションバーリエーション (LSV) と円筒形の水チェレンコフバーリエーション (WCV) を含む、多層構造の遮蔽およびバーリエーションシステムを用いて、背景イベントを低減すること。
• DarkSide-50 ディテクタの成功した運用経験を活用し、WIMP 探索のためのより大規模で感度の高い装置へのスケーリングを実現すること。
• スピン非依存 WIMP-核子散乱断面積に対する予想される感度を 10^{-47} cm² 未満にまで向上させ、直接的ダークマター検出の最前線を推し進める。
• 大容量・深地中環境における2相 LAr TPC のスケーラビリティおよび背景抑制性能を検証すること。

提案手法

• WIMP-核子散乱反応からのイオン化およびシンチレーション信号を検出するため、フィducial質量 20トン（全アクティブ質量 23トン）の2相液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー (LAr TPC) を使用する。
• 外部ガンマ線および中性子背景をパルス波形分離により検出・除外するため、LAr TPC を取り囲む球形の液体シンチレーションバーリエーション (LSV) を実装する。
• 宇宙線ミューオンおよび外部背景をさらに抑制するため、LSV を取り囲む円筒形の水チェレンコフバーリエーション (WCV) を統合する。
• パルス波形解析およびイベントトポロジー再構築を含む、高度な信号再構成および背景除外技術を適用し、残存背景からの WIMP シグナルを区別する。
• 宇宙線背景が自然に減衰する深地中環境である Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) で検出器を運用する。
• システム設計、コンmissioning、および背景モデリングの基盤として、DarkSide-50 ディテクタの運用データおよびキャリブレーション技術を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20トンの2相 LAr TPC は、低質量 WIMP 散乱に対して競争力のある感度を達成するための必要な背景抑制を実現できるか？
• RQ2 液体シンチレーション検出器と水チェレンコフ検出器の組み合わせは、大容量 LAr TPC において外部背景をどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ3 DarkSide-20k ディテクタがスピン非依存 WIMP-核子散乱断面積に対して達成可能な感度は何か？
• RQ4 DarkSide-50 からの運用経験およびキャリブレーション技術は、より大規模な検出器システムにどの程度うまくスケーリング可能か？
• RQ5 地下研究所における20トンの LAr TPC に二重遮蔽を備えて建設・運用するにあたり、主な技術的および工学的課題は何か？

主な発見

• DarkSide-20k の設計は、スピン非依存 WIMP-核子散乱断面積に対して 10^{-47} cm² 未満の感度を達成することが予想され、これにより従来の実験を著しく上回る。
• 二重遮蔽システム（LSV + WCV）により、フィducialボリューム内での外部背景は年間 0.1 イベント未満にまで抑制されると予想され、クリアなシグナル探索が可能になる。
• 20トンの大きなフィducial質量は、50kg の DarkSide-50 ディテクタと比較して、標的にもより高い密度とイベント統計を提供する。
• 2相 LAr TPC 技術は、DarkSide-50 で検証されており、優れたエネルギー分解能と背景除外性能を示しており、スケーリングのための堅実な基盤を提供している。
• LSV と WCV システムの統合により、シグナル領域における総背景レートは年間 0.01 イベント未満にまで低下すると予想され、高い信号対雑音比が実現可能となる。
• 既存のインfraや DarkSide-50 の経験を活用することで、技術的リスクを低減し、導入スケジュールの加速が可能となる。