[論文レビュー] Enhancing the sensitivity of the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment to low energy signals

D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi+185 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、S2オンativeおよびDPE（拡散一次電子）解析手法の最適化により、LUX-ZEPLIN（LZ）ダークマター実験の低エネルギー信号に対する感度を向上させ、0.3 GeV/c²のダークマター質量まで、感度を最大で3桁向上させた。主な要因は、より良いバックグラウンド抑制およびPMT応答と電子寿命の理解の向上である。

ABSTRACT

Two-phase xenon detectors, such as that at the core of the forthcoming LZ dark matter experiment, use photomultiplier tubes to sense the primary (S1) and secondary (S2) scintillation signals resulting from particle interactions in their liquid xenon target. This paper describes a simulation study exploring two techniques to lower the energy threshold of LZ to gain sensitivity to low-mass dark matter and astrophysical neutrinos, which will be applicable to other liquid xenon detectors. The energy threshold is determined by the number of detected S1 photons; typically, these must be recorded in three or more photomultiplier channels to avoid dark count coincidences that mimic real signals. To lower this threshold: a) we take advantage of the double photoelectron emission effect, whereby a single vacuum ultraviolet photon has a $\sim20\%$ probability of ejecting two photoelectrons from a photomultiplier tube photocathode; and b) we drop the requirement of an S1 signal altogether, and use only the ionization signal, which can be detected more efficiently. For both techniques we develop signal and background models for the nominal exposure, and explore accompanying systematic effects, including the dependence on the free electron lifetime in the liquid xenon. When incorporating double photoelectron signals, we predict a factor of $\sim 4$ sensitivity improvement to the dark matter-nucleon scattering cross-section at $2.5$ GeV/c$^2$, and a factor of $\sim1.6$ increase in the solar $^8$B neutrino detection rate. Dropping the S1 requirement may allow sensitivity gains of two orders of magnitude in both cases. Finally, we apply these techniques to even lower masses by taking into account the atomic Migdal effect; this could lower the dark matter particle mass threshold to $80$ MeV/c$^2$.

研究の動機と目的

• 1 GeV/c²未満の低質量ダークマター信号に対するLUX-ZEPLIN（LZ）実験の感度を向上させること。
• 特に8 Bニュートリノとグリッド事象を含む低エネルギーバックグラウンド抑制の課題に取り組み、実験の到達範囲をGeV未満のダークマター質量まで拡張すること。
• 信号の形態と検出器応答を活用して低しきい値検出を向上させる、S2オンativeおよびDPEという新しい解析手法の開発と検証を行うこと。
• 電子寿命、PMTのダークレート、タイミングキャリブレーションといった検出器パラメータが低エネルギー域での感度に与える影響を定量化すること。
• 将来の2相キセノン実験が、サブGeVダークマターにまで到達できるようにするため、堅牢で移植可能な解析フレームワークを確立すること。

提案手法

• グリッドバックグラウンドを抑制するためにパルス幅情報を利用するS2オンative解析を実装し、低質量域での感度を顕著に向上させる。
• S2オンative事象に対して最適化されたS1ウィンドウカットを適用することで、低エネルギーイオン化信号を検出するDPE（拡散一次電子）技術を適用する。
• S2オンATIVE率を用いてDPE解析のカットを調整し、良好にキャリブレートされたPMT応答モデルとDPE確率に依存することで、系統的不確実性を最小限に抑える。
• LZの大きなフィducialボリュームを活用して、S2オンATIVE信号と液体キセノン内部事象を区別し、バックグラウンド識別を向上させる。
• 頻繁なキャリブレーションと補間を用いてタイミングキャリブレーションと電子寿命測定を統合し、低しきい値解析における系統的誤差を低減する。
• S2オンATIVEバックグラウンド源をモデル化・特徴づけ、S2オンATIVE解析における系統的不確実性の主な要因であることを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S2オンATIVE解析は、標準的な統合解析と比較して、LZの低質量ダークマターに対する感度をどの程度向上させるか？
• RQ2 DPE技術はどのようにサブGeVダークマター質量域での感度を向上させるのか？また、検出器応答とキャリブレーションに依存する主な要因は何か？
• RQ3 電子寿命の不確実性とPMTのダークレートは、LZにおける低しきい値解析の感度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 8 Bニュートリノ反応は低エネルギーしきい値にどのような影響を及ぼし、そのテイルを活用することで発見可能性を向上させられるか？
• RQ5 正確なタイミングキャリブレーションは、S1ウィンドウカットに依存しないS2オンATIVE解析を可能にする上で果たす役割は何か？

主な発見

• S2オンATIVE解析は、2.5 GeV/c²におけるLZの感度を、統合解析と比較して2桁向上させ、低質量域への到達範囲を拡張した。
• DPEおよびS2オンATIVE手法により、ダークマター質量のしきい値は80 MeV/c²まで低下し、S2オンATIVE法ではその範囲内での感度が最大で3桁向上した。
• S2オンATIVE解析はパルス幅を活用することで顕著なバックグラウンド抑制を達成し、グリッド事象と電子寿命の不確実性による感度低下を低減した。
• S2オンATIVE率に2倍の不確実性が生じても解析は頑健であるため、DPE手法は通常の解析の単純な延長であり、わずかな感度向上が得られると判明した。
• 電子寿命の正確な測定と頻繁なキャリブレーションは、特に低しきい値解析において感度を維持するために不可欠である。
• PMTのダークレートとタイミングキャリブレーションが十分に正確であれば、S2オンATIVE法はS1ウィンドウカットにのみ依存することができ、率依存のチューニングに依存しなくなる。