[論文レビュー] PandaX-xT: a Multi-ten-tonne Liquid Xenon Observatory at the China Jinping Underground Laboratory

PandaX Collaboration, Abdusalam Abdukerim+91 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2024

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

PandaX-xT は CJPL にある 43-tonne アクティブターゲットを備えた、マルチ十トン級液体キセノン観測所の提案で、暗黒物質探索をニュートリノフロアまで前進させ、136Xe のニュートリノ無関係な二重ベータ崩壊を探索し、超低背景で低エネルギーニュートリノを研究する。

ABSTRACT

We propose a major upgrade to the existing PandaX-4T experiment in the China Jinping Underground Laboratory. The new experiment, PandaX-xT, will be a multi-ten-tonne liquid xenon, ultra-low background, and general-purpose observatory. The full-scaled PandaX-xT contains a 43-tonne liquid xenon active target. Such an experiment will significantly advance our fundamental understanding of particle physics and astrophysics. The sensitivity of dark matter direct detection will be improved by nearly two orders of magnitude compared to the current best limits, approaching the so-called "neutrino floor" for a dark matter mass above 10 GeV/$c^2$, providing a decisive test to the Weakly Interacting Massive Particle paradigm. By searching for the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe isotope in the detector, the effective Majorana neutrino mass can be measured to a [10 -- 41] meV/$c^2$ sensitivity, providing a key test to the Dirac/Majorana nature of neutrino s. Astrophysical neutrinos and other ultra-rare interactions can also be measured and searched for with an unprecedented background level, opening up new windows of discovery. Depending on the findings, PandaX-xT will seek the next stage upgrade utilizing isotopic separation on natural xenon.

研究の動機と目的

• WIMP-核子相互作用が 10 GeV/c^2 を上回る領域で、暗黒物質直接検出をニュートリノフロアの直前まで進める。
• 136Xe の NLDBD を探してニュートリノのメジャラーナ性を検証し、逆順序のパラメータ領域で m_beta_beta を制約する。
• 低エネルギーの太陽ニュートリノと天体ニュートリノを検出し、前例のない背景抑制で超まれ現象を追求する。

提案手法

• 47-tonne 自然キセノン構成内の 43-tonne アクティブターゲットを、基盤としてデュアルフェーズ TPC を使用（液相比例シンチレーションのオプションを含む可能性あり）。
• 超低背景を達成するため、0.5 m の液体シンチレータ・ボイド（IVETO）で分離された銅製内 vessel とチタン製外 vessel を実装。
• 中性子および宇宙線シールド機能を提供する超純水ボイド（OVETO）を 2 層の PMT で展開し、必要に応じて水ベースの液体シンチレーターを追加して中性子識別を強化（現設計で約 70%、LS 強化時は >90%）。
• ER/NR 弁別と位置再構成のため、高粒度光検出器（約 8000 チャンネルの R12699 に類似したデバイス）を使用して >10% のフォトン検出効率と高速タイミングを実現。
• 液相キセノンの迅速充填/回収を支援する First-X 液体キセノン取り扱いを組み込み、高度な低温技術、分留、ラドン/ Kr/ トリチウム制御により内部放射能を超低レベルに抑制。
• 大規模チャネル数とデータ量（約 5 TB/日）を管理するため、読み出しアーキテクチャを評価（500 MS/s 14-bit デジタイザまたはファイバーリンク付きコールドエレクトロニクス）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PandaX-xT は DM 質量 >10 GeV/c^2 に対して neutrino floor に近づくにつれて、DM-核子横断面でどの程度を探査できるのか？
• RQ2 136Xe NLDBD の有効メジャーアナ質量 m_beta_beta の感度はどれくらい達成可能で、逆順序のパラメータ空間をどの程度カバーするのか？
• RQ3 背景（Rn、85Kr、トリチウム、外部放射性物質）をどれだけ抑制して、100 eV から 10 MeV のエネルギー範囲で超低背景運用を可能にするのか？
• RQ4 提案されたヴェイトと低温設計で、どのような天体ニュートリノフラックスと超まれ現象を PandaX-xT が検出できるのか？

主な発見

• 全規模の PandaX-xT は 43 トンのアクティブ LXe を想定しており、既存のマルチトン検出器に対して暗黒物質および NLDBD の感度を大幅に向上させる。
• DM 感度は質量が約 10 GeV/c^2 を超える領域で neutrino floor に近づくことを目指し、WIMP パラダイムの決定的な検証を提供する。
• 136Xe の NLDBD 検索は、有効なメジャーアナ質量感度を約 10–41 meV/c^2 のレベルまで達成し、逆順序パラメータ空間の大半を探索する可能性。
• 背景抑制戦略（IVETO、OVETO、LS ボイでの抑制、低温蒸留）は、MeV スケール NLDBD およびサブ MeV の DM 信号に必要な超低放射能レベルへ内部背景を抑えるよう設計されている。
• 検出器は高度なキセノン取り扱い、蒸留、そして背景抑制をさらに強化するための同位体分離アップグレードを統合して、物理探査の到達範囲を拡大する。