[論文レビュー] Measurement of the ionization yield from nuclear recoils in liquid xenon between 0.3 -- 6 keV with single-ionization-electron sensitivity

B. G. Lenardo, Jingke Xu+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、液体キセノンにおける核反発のイオン化出力を、0.3 keVまで直接測定し、1電子感度に達した。低エネルギー域でのイオン化出力の低下と、明確な電場依存性が観測され、ダークマターおよびニュートリノ検出実験の低エネルギー校正精度を顕著に向上させた。

ABSTRACT

Dual-phase xenon TPC detectors are a highly scalable and widely used technology to search for low-energy nuclear recoil signals from WIMP dark matter or coherent nuclear scattering of $\\sim$MeV neutrinos. Such experiments expect to measure O(keV) ionization or scintillation signals from such sources. However, at $\\sim1\\,$keV and below, the signal calibrations in liquid xenon carry large uncertainties that directly impact the assumed sensitivity of existing and future experiments. In this work, we report a new measurement of the ionization yield of nuclear recoil signals in liquid xenon down to 0.3$\\,$keV$\\,\\,$-- the lowest energy calibration reported to date -- at which energy the average event produces just 1.1~ionized~electrons. Between 2 and 6$\\,$keV, our measurements agree with existing measurements, but significantly improve the precision. At lower energies, we observe a decreasing trend that deviates from simple extrapolations of existing data. We also study the dependence of ionization yield on the applied drift field in liquid xenon between 220V/cm and 6240V/cm, allowing these measurements to apply to a broad range of current and proposed experiments with different operating parameters.

研究の動機と目的

• 1 keV未満のエネルギー域における液体キセノンの核反発イオン化出力を校正すること。現存するデータは低エネルギー域で不足しており、不確実性が大きい。
• 1電子感度を有するイオン化出力測定により、低質量WIMPおよびCEνNS実験の検出しきい値の特徴付けを可能にすること。
• 実験設計への広範な適用性を高めるために、適用電場（220–6240 V/cm）に伴うイオン化出力の依存性を調査すること。
• NESTのようなシミュレーションモデルの改善に寄与する高精度なデータを提供すること、特に超低エネルギー領域のイオン化プロセスに焦点を当てる。
• 直接的ダークマターおよびニュートリノ検出の感度に直接影響を与えるエネルギースケール校正の不確実性を低減すること。

提案手法

• 252Cf源からの固定角度散乱中性子を用いて、液体キセノン内に単エネルギー核反発を生成した。
• 高い電子抽出効率と1電子トリガ機能を備えた二相タイムプロジェクションチェンバー（TPC）を採用した。
• バックグラウンドを強く抑制する技術を用い、最小限のイオン化出力を持つ核反発イベントを分離した。
• 0.3–6.1 keVの核反発エネルギーにおけるイオン化出力を、1電子イベントを検出可能な解像度で測定した。
• ドリフト電場を220 V/cmから6240 V/cmまで変化させ、イオン化出力の電場依存性を調査した。
• 既知の中性子エネルギースペクトルを用いたデバイスの校正を行い、NESTシミュレーションおよび過去のLUXデータと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.3 keVという極めて低いエネルギー域で、平均して1.1個の電子が励起される液体キセノンにおける核反発のイオン化出力はどの程度か？
• RQ2 1 keV未満のエネルギー域において、既存データの外挿から逸脱するイオン化出力の傾向はどのように現れるか？
• RQ3 液体キセノンにおけるドリフト電場に伴うイオン化出力の依存性は何か？また、過去の仮定とはどのように異なるか？
• RQ4 超低エネルギー領域における測定されたイオン化出力は、NESTシミュレーションフレームワークの予測とどの程度一致するか？
• RQ5 1電子感度が、低しきい値のダークマターおよびニュートリノ検出器の校正をどの程度向上できるか？

主な発見

• 0.3 keVにおけるイオン化出力は3.5–4.5 e−/keVと測定され、1イベントあたり平均1.1–1.4個の励起電子に対応し、これまでに測定された最も低いエネルギーの核反発信号である。
• 1 keV未満の領域でイオン化出力の低下傾向が観測され、高エネルギー領域のデータを単純に外挿した結果とは顕著に異なる。
• ドリフト電場に顕著な依存性が観測され、過去の結論とは矛盾するが、高エネルギー領域のデータと整合する。最新版NESTに組み込まれたモデルよりも弱い電場依存性を示す。
• 2–6 keVにおける測定されたイオン化出力は、過去のLUX測定結果と一致するが、著しく高い精度を達成した。
• 低エネルギー核反発（低質量WIMPおよびCEνNS探索を含む）を標的とする実験にとって、重要な校正データを提供した。
• 今後のNESTシミュレーションの次世代版の構築に直接的根拠を提供し、超低エネルギー領域のイオン化プロセスのモデリングを改善した。