[論文レビュー] Projected WIMP sensitivity of the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment

D. S. Akerib, Akerlof, C. W.+176 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Feb 16, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、1,000日間のライブ露光期間にわたり5.6トンのフィducial質量を用いて、LUX-ZEPLIN（LZ）実験のスピン非依存（SI）およびスピン依存（SD）の弱く相互作用する大質量粒子（WIMP）散乱に対する感度を予測している。超低バックグラウンドレベルに加え、外部検出器およびキセノン皮膚遮断系による能動的バックグラウンド抑制を実施することで、LZは40 GeV/c²のWIMPに対して、90%信頼水準での排除限界として1.4×10⁻⁴⁸ cm²を達成することが予測されており、これは過去の実験と比べて10倍以上も改善されたものである。

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) is a next generation dark matter direct detection experiment that will operate 4850 feet underground at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota, USA. Using a two-phase xenon detector with an active mass of 7~tonnes, LZ will search primarily for low-energy interactions with Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), which are hypothesized to make up the dark matter in our galactic halo. In this paper, the projected WIMP sensitivity of LZ is presented based on the latest background estimates and simulations of the detector. For a 1000~live day run using a 5.6~tonne fiducial mass, LZ is projected to exclude at 90\% confidence level spin-independent WIMP-nucleon cross sections above $1.4 imes 10^{-48}$~cm$^{2}$ for a 40~$\mathrm{GeV}/c^{2}$ mass WIMP. Additionally, a $5σ$ discovery potential is projected reaching cross sections below the exclusion limits of recent experiments. For spin-dependent WIMP-neutron(-proton) scattering, a sensitivity of $2.3 imes 10^{-43}$~cm$^{2}$ ($7.1 imes 10^{-42}$~cm$^{2}$) for a 40~$\mathrm{GeV}/c^{2}$ mass WIMP is expected. With underground installation well underway, LZ is on track for commissioning at SURF in 2020.

研究の動機と目的

• 直接検出を用いた弱く相互作用する大質量粒子（WIMP）である暗黒物質実験LUX-ZEPLIN（LZ）の感度を予測すること。
• 超低放射能、能動的バックグラウンド抑制、フィducial質量の影響がWIMP検出感度に与える影響を評価すること。
• スピン非依存およびスピン依存のWIMP-核子散乱断面積の発見可能性および排除限界を定量すること。
• 実験設計が、これまで未探索であったWIMPパラメータ空間の領域をどれほど探査可能であるかを確立すること。

提案手法

• LZに使用される材料の放射純度およびエネルギー分解能特性に基づいて、詳細な検出器応答モデルを構築した。
• 材料スクリーニングキャンペーンの結果をもとに、内在的および環境的バックグラウンドを推定する包括的なバックグラウンドモデルを構築した。
• 内部および外部源からの中性子およびガンマ線を抑制するために、外部検出器およびキセノン皮膚遮断系のモデルを構築した。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、時間投影チャンバー（TPC）におけるWIMPの相互作用、信号形成、およびバックグラウンド拒否効率をモデル化した。
• 露光量は、5.6トンのフィducial質量を1,000日間のライブ露光期間で計算し、90%信頼水準での統計的不確実性を評価した。
• 排除および発見可能性の標準的統計的手法を用いて、感度限界を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5.6トンのフィducial質量を1,000日間の露光期間で使用した場合、スピン非依存WIMP-核子散乱断面積の90%信頼水準での排除限界は何か？
• RQ2 外部検出器およびキセノン皮膚を含むLZの能動的遮断系は、内部および環境的要因に起因するバックグラウンドイベントをどのように抑制するか？
• RQ3 WIMP質量が40 GeV/c²のとき、LZのスピン依存WIMP-中性子およびWIMP-陽子散乱に対する感度は何か？
• RQ4 LZの超低バックグラウンド環境は、パラメータ空間のこれまで未探索の領域におけるWIMPの発見をどの程度可能にするか？
• RQ5 断面積の到達範囲という観点から、LZの予測される感度は、過去および現在の直接検出実験と比べてどの程度優れているか？

主な発見

• スピン非依存（SI）WIMP-核子散乱に関して、LZは40 GeV/c²のWIMPに対して、90%信頼水準で1.4×10⁻⁴⁸ cm²以上の断面積を排除することが予測されている。
• スピン依存（SD）WIMP-中性子散乱に関して、LZは40 GeV/c²の時点で最高感度として2.3×10⁻⁴³ cm²を達成し、過去の実験と比べて顕著な改善が見込まれる。
• SD WIMP-陽子散乱に関しては、40 GeV/c²の時点で7.1×10⁻⁴² cm²の感度が予測されており、これまで未探査であったパラメータ空間の領域に感度を持つことが示された。
• 5.6トンのフィducial質量と1,000日間の露光期間により、LZは過去の実験の90%排除限界以下のWIMP断面積の発見可能性を有する。
• 超低バックグラウンドレベルと外部検出器およびキセノン皮膚遮断系による能動的バックグラウンド抑制の組み合わせにより、残存バックグラウンド率に対する強力なイン・サイト制約が可能となる。
• LZは、WIMP直接検出の残りのパラメータ空間の大部分を探査可能であり、過去の液体キセノン実験と比べて感度が10倍以上向上することが期待される。