[論文レビュー] Precision Measurement of the Specific Activity of $^{39}$Ar in Atmospheric Argon with the DEAP-3600 Detector

Prabal Adhikari, Rahaf Ajaj+148 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、DEAP-3600液体アルゴン検出器を用いて、大気中アルゴンにおける39Arの比活動について、これまでで最も精度の高い測定を報告する。単一39Ar崩壊および二重ピルアップ事象をデータ駆動的なフィット手法で解析することで、統計的精度を著しく向上させるとともに、カット効率、エネルギースケール、85Kr汚染に関する系統的不確実性を精緻に洗練した。比活動は0.964 ± 0.001stat ± 0.024sys Bq/kgatmAr と測定された。

ABSTRACT

The specific activity of the beta decay of $^{39}$Ar in atmospheric argon is measured using the DEAP-3600 detector. DEAP-3600, located 2 km underground at SNOLAB, uses a total of (3269 $\pm$ 24) kg of liquid argon distilled from the atmosphere to search for dark matter. This detector with very low background uses pulseshape discrimination to differentiate between nuclear recoils and electron recoils and is well-suited to measure the decay of $^{39}$Ar. With 167 live-days of data, the measured specific activity at the time of atmospheric extraction is [0.964 $\pm$ 0.001 (stat) $\pm$ 0.024 (sys)] Bq/kg$_{ m atmAr}$ which is consistent with results from other experiments. A cross-check analysis using different event selection criteria provides a consistent result.

研究の動機と目的

• DEAP-3600液体アルゴン検出器を用いて、39Arの比活動を、これまでにない精度で測定すること。
• カット効率の推定、エネルギースケールのキャリブレーション、ライブタイムの計算の改善により、39Ar活動測定における系統的不確実性を低減すること。
• 希土類液体ベースのダークマター実験におけるバックグラウンドモデル化のための重要な入力となること。
• 39Ar/Ar比を年代測定の計測ツールとして用いる放射年代測定の応用を支援すること。
• 新しいデータ、更新されたアルゴン質量、および改善された解析手法を用いて、過去の測定値を検証・更新すること。

提案手法

• 単一39Ar事象および選別カットを通過した二重ピルアップ事象に対して、測定済みスペクトルとモンテカルロ生成スペクトルを入力として、データ駆動的なフィッティング手順を適用した。
• ERBスペクトルおよび二重ピルアップスペクトルの正規化パラメータを、期待されるイベントレートと既知のライブタイムに対応する平均1のガウス事前分布を用いてベイズ的フィットで自由に変動させた。
• フィット結果は、代替スペクトル（Kostensaloらのスペクトルを含む）を用いたクロスバリデーションにより検証され、最終的な活動度値にほとんど差がなかった。
• 系統的不確実性は、カット効率、エネルギースケール、エネルギー分解能、およびアルゴン中の潜在的85Kr汚染という主要パラメータを変化させることで評価された。
• 更新された液体アルゴン質量、再評価されたライブタイム、抽出時の大気中アルゴンの年齢補正を分析に組み込んだ。
• 最終的な比活動は、フィットにおける正規化パラメータの事後分布から導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DEAP-3600検出器を用いた場合、大気中アルゴンにおける39Ar比活動の最も精密な測定値は何か？
• RQ2 更新されたカット効率の推定値およびライブタイムの計算が、39Ar活動測定の不確実性予算にどのように影響するか？
• RQ3 エネルギースケール、分解能、および85Kr汚染からの系統的不確実性が、測定の精度にどの程度制限要因となるか？
• RQ4 WARP、ArDM、および以前のDEAP-3600解析からの過去の結果と比較して、新しい測定値はどのように異なるか？
• RQ5 データ駆動的なフィッティング手法は、低バックグラウンド・高統計的データセットから39Ar活動を信頼性高く抽出できるか？

主な発見

• 大気中アルゴンにおける39Arの比活動は、0.964 ± 0.001stat ± 0.024sys Bq/kgatmAr と測定され、これまでで最も精密な決定値である。
• 統計的不確実性は、データセットの高統計的性質に起因し、系統的不確実性は主にイベント選別カット効率、エネルギースケール、エネルギー分解能に起因する。
• アルゴン標的に85Krが含まれることで、わずかだが測定可能な系統的効果が生じ、これは慎重に評価され補正された。
• WARPおよびArDMからの過去の測定値と整合しており、更新後も以前のDEAP-3600推定値から顕著なずれは認められなかった。
• データ駆動的フィット手法は、Kostensalo らのスペクトルを含むさまざまな入力スペクトルに対しても、結果が頑健かつ一貫していることを示した。
• 更新された解析では、補正されたアルゴンの年齢、および改善された質量・ライブタイム推定値が組み込まれており、最終値の信頼性が向上した。