[論文レビュー] Is DAMA Bathing in a Sea of Radioactive Argon?

D. N. McKinsey|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Ancient Egypt and Archaeology被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、DAMA/LIBRAが2–6 keVの範囲で長年にわたり観測した年間周期的信号が、窒素洗浄ガス内のラジオアクティブなアルゴン不純物によって生成される2.8 keVのX線に起因すると提案している。これは37Arの崩壊（シナリオ1）または銅製ハウジング内の40Arがルビジウムによってイオン化されることによるもの（シナリオ2）である。仮説は、中性子線量とルビジウム濃度の季節的変化に起因するモードを説明し、現在のバックグラウンド制約を回避する、実験的・物理的に説得力のある機器由来の起源を提示する。

ABSTRACT

A hypothesis is proposed to explain the long-standing DAMA/LIBRA puzzle. Introduced into the DAMA/LIBRA shielding is a purge gas of nominally high-purity nitrogen, which under this hypothesis contains argon impurities. Argon is introduced into the nitrogen purge gas either through leaks in the purge gas plumbing, or through commercially-supplied bottled nitrogen, diffuses through materials in the detector housings, and then comes in direct contact with the DAMA/LIBRA detectors. These argon impurities can then lead to a modulating 2.8 keV background under two scenarios. Scenario 1): These impurities include the isotope 37Ar, which decays by electron capture, emitting a 2.8 keV x-ray. These decays appear as single-site, monoenergetic events in DAMA/LIBRA, and produce an annual modulation due to the variation of neutron flux in the atmosphere and at the Earth's surface, which in turn leads to a seasonal variation in 37Ar production from the reactions $^{40} extrm{Ca}( extrm{n,}α)^{37} extrm{Ar}$ and $^{36} extrm{Ar}( extrm{n,}γ)^{37} extrm{Ar}$. Scenario 2): Radon is also in the DAMA/LIBRA purge gas, modulating seasonally at a rate below the current DAMA/LIBRA limits. When radon or its short-lived daughters decay, the resulting beta, gamma, and bremsstrahlung radiation cause stable 40Ar to be ionized within the copper housings surrounding the NaI(Tl) detectors, resulting in characteristic 2.8 keV x-rays. Modulating backgrounds might also result from radon-induced neutron or gamma-ray flux from the surrounding cavern, leading to a small modulating background enhanced at low energy by the presence of 40Ar within the copper housings. These two scenarios are straightforward to test through assay of the purge gas as well as Monte Carlo and laboratory study of the DAMA/LIBRA copper housings when excited by ionizing radiation.

研究の動機と目的

• 他のダークマター実験が多数の否定的結果を示しても未解決のままのDAMA/LIBRAの年間周期的信号を解消すること。
• 窒素洗浄ガス内のアルゴン不純物が、ダークマター信号に擬似する周期的2.8 keV X線バックグラウンドを生成できるかどうかを調査すること。
• 37Arまたは銅ハウジング内の40Arがルビジウムによってイオン化されることによって、2–6 keVエネルギー窓で季節的変動を示すX線が生成されるという仮説を検証すること。
• 新物理や特異なダークマター相互作用を必要としない、検証可能で実験的に確認可能な説明を提供すること。
• 低エネルギーX線が高エネルギー領域で遮断される現象を考慮することで、観測された周期的信号と既存のバックグラウンド制限を整合させる。

提案手法

• DAMA/LIBRAの洗浄ガスおよび周囲の大気中のアルゴンおよび37Ar含有量を測定し、季節的変動を特定する。
• ベータ線・ガンマ線・中性子線源に照射されたアルゴン不純物を含む窒素ガスにおけるX線生成をモンテカルロシミュレーションで再現する。
• 実験室で銅製検出器ハウジングのアルゴン拡散率と、ルビジウム崩壊生成物によるイオン化によるX線発生量を測定する。
• NaI(Tl)結晶における2.8 keV X線のエネルギー吸収と検出効率を、単一サイトイベントの特性を考慮してモデル化する。
• 37Arおよびルビジウム誘発イオン化による予測されたモード振幅を、2–6 keV範囲で観測された0.0110 ± 0.0012 cpd/kg/keVの信号と比較する。
• 複数ヒットイベントの確率を評価し、モデルがDAMAが観測した複数ヒットイベントにおけるモードゼロ（±0.0004 cpd/keV/kg）と整合しているかを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 37Arの崩壊が、洗浄ガス内のアルゴン不純物によって2.8 keV X線信号を生成し、DAMA/LIBRAの観測と一致する周期的変動を示す可能性はあるか？
• RQ2 大気中の中性子線量の季節的変動が、40Caおよび36Arにおける(n,γ)および(n,α)反応によって37Ar生成に顕著な変動をもたらすか？
• RQ3 洗浄ガスまたは周囲環境に存在するルビジウムが、銅ハウジング内の40Arをイオン化し、2.8 keV X線を生成し、観測された信号と一致する周期的変動を示すか？
• RQ4 観測された2–6 keVのモードが、高エネルギー領域で遮断されるため検出されない低エネルギーX線から来るバックグラウンドと整合するか？
• RQ5 ガス分析、材料試験、X線生成および検出のモンテカルロシミュレーションを通じて、この仮説を実験的に検証可能か？

主な発見

• 仮説は、2.8 keV X線が37Arの崩壊によって生成され、大気および土壌中の中性子線量の変動に起因する季節的変動によって、2–6 keVの年間周期的信号を説明できる。
• 37Ar生成率は、大気密度および積雪量の変化に起因し、中性子の減速が変化することで季節的変動を示し、観測された9.3σの信号と整合する。
• シナリオ2（ルビジウム誘発イオン化）は、銅ハウジング内の40Arをイオン化し、2.8 keV X線バックグラウンドを生成可能であり、特にアルゴンの拡散率とイオン化効率を調整すればDAMA信号と整合する。
• 観測されたモード振幅0.0110 ± 0.0012 cpd/kg/keVは、90 keV以上の全イベントレートの25％以上を占めるアルゴンX線バックグラウンドと整合し、現在のバックグラウンド制限（0.17–0.19 cpd/kg）の範囲内にある。
• 複数ヒットイベントにおけるモードの不在と整合する。2.8 keV X線はアルゴン由来であるため、1つのNaI(Tl)検出器にしかエネルギーを放出しない可能性が低く、2つ以上の検出器にエネルギーを分配する確率は4％未満である。
• 3 keVピークのフィッティングに必要な40K不純物濃度（20 ppb）が予想値（13 ppb）よりも高い理由を説明できる可能性がある。これは、一定のアルゴンX線バックグラウンドがベースラインに寄与している可能性を示唆する。