[論文レビュー] Simulation and background characterisation of the SABRE South experiment

E. L. Barberio, T. Baroncelli+39 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、SABRE South実験のGeant4ベースのシミュレーションを提示しており、その超高低バックグラウンドレート—主に放射性純度の高いNaI(Tl)結晶とアクティブバックグラウンド遮断—のおかげで、50 kgの標的質量と1–6 keVeeエネルギー範囲における0.72 cpd/kg/keVeeのバックグラウンドを用いて、データ取得を2.5年間行うことで、DAMA/LIBRAの年間モード信号を4σ（ノン結果）で除外するか、5σ（観測）で確認できることが示されている。

ABSTRACT

SABRE (Sodium iodide with Active Background REjection) is a direct detection dark matter experiment based on arrays of radio-pure NaI(Tl) crystals. The experiment aims at achieving an ultra-low background rate and its primary goal is to confirm or refute the results from the DAMA/LIBRA experiment. The SABRE Proof-of-Principle phase was carried out in 2020-2021 at the Gran Sasso National Laboratory (LNGS), in Italy. The next phase consists of two full-scale experiments: SABRE South at the Stawell Underground Physics Laboratory, in Australia, and SABRE North at LNGS. This paper focuses on SABRE South and presents a detailed simulation of the detector, which is used to characterise the background for dark matter searches including DAMA/LIBRA-like modulation. We estimate an overall background of 0.72 cpd/kg/keV$_{ee}$ in the energy range 1$-$6 keV$_{ee}$ primarily due to radioactive contamination in the crystals. Given this level of background and considering that the SABRE South has a target mass of 50 kg, we expect to exclude (confirm) DAMA/LIBRA modulation at $4~(5)σ$ within 2.5 years of data taking.

研究の動機と目的

• SABRE South実験におけるバックグラウンドをシミュレートおよび特徴づけること。SABRE Southは、超高純度NaI(Tl)結晶を用いた直接的ダークマター検出実験である。
• 他の実験が未確認のまま残しているDAMA/LIBRAが報告した年間モード信号に対するSABRE Southの感度を評価すること。
• 特に210Pbおよび87Rbの放射性不純物が結晶および周囲材料に与える全体のバックグラウンドレートへの寄与を定量化すること。
• 現実的なバックグラウンド条件下で、SABRE SouthがDAMA/LIBRAに類似したモード信号の発見および除外能力を評価すること。
• 測定済みまたは仮定された放射能レベルを組み合わせた詳細なGeant4シミュレーションを用いて、実験設計およびバックグラウンド低減戦略の妥当性を検証すること。

提案手法

• 結晶の配置、シールド、周囲材料を精確にモデル化した、SABRE South検出器の幾何構造を完全に再現したGeant4シミュレーションを構築した。
• 検出器部品における放射性不純物レベルは、測定値または保守的な推定値に基づいており、結晶内での210Pb、87Rb、および宇宙線誘発3H生成を含む。
• アクティブバックグラウンド遮断システムをモデル化し、外部および内部の放射線源からのイベントを同定および遮断した。
• バックグラウンド寄与は単位エネルギーおよび単位質量あたりに計算され、結果は1日あたりのカウント数/kg/keVee（cpd/kg/keVee）で報告された。
• 信号対ノイズ比と予想されるデータ取得期間に基づく統計的パワー計算を用いて、DAMA/LIBRAモードへの感度を評価した。
• エネルギー依存性のクエンチング係数とその解釈への影響、特にDAMA/LIBRA信号との関連において、シミュレーションで考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAMA/LIBRAモードに関連する1–6 keVeeエネルギー窓において、SABRE South実験の予想されるバックグラウンドレートはどの程度か？
• RQ2 NaI(Tl)結晶内に存在する210Pb、87Rb、および宇宙線誘発3Hが、全体のバックグラウンドレートに与える寄与は何か？
• RQ3 現実的なデータ取得期間内に、SABRE SouthがDAMA/LIBRAの年間モード信号を除外または確認する感度はどの程度か？
• RQ4 クエンチング係数の値が、DAMA/LIBRA信号の解釈およびSABRE Southの感度に与える影響は何か？
• RQ5 同じ標的材料および検出技術を用いて、SABRE SouthはDAMA/LIBRA結果をモデルに依存しない形で確認または除外できるか？

主な発見

• SABRE Southにおける総バックグラウンドレートは、1–6 keVeeエネルギー範囲で0.72 cpd/kg/keVeeと推定され、その95％がNaI(Tl)結晶内の放射性不純物に起因している。
• 主なバックグラウンド寄与は、体積内210Pb不純物（0.28 cpd/kg/keVee）および宇宙線誘発3H生成（7.8×10⁻² cpd/kg/keVee）であり、87Rbは0.22 cpd/kg/keVeeを占める。
• 50 kgの標的質量と0.72 cpd/kg/keVeeのバックグラウンドを用いて、SABRE Southは2.5年間のデータ取得で、DAMA/LIBRAモードを4σで除外または5σで確認できる。
• エネルギー範囲を2–6 keVeeに制限した場合、3σでの除外または5σでの発見に必要なデータ取得時間は、それぞれ約1.5年および2.8年まで短縮される。
• クエンチング係数の値の変動に対しても、SABRE SouthとDAMA/LIBRAの両者が同じ値を使用する限り、SABRE Southの除外および発見能力は頑健である。これは、テストのモデルに依存しない性質を保っている。
• シミュレーションの結果、SABRE Southのバックグラウンドは他のNaI(Tl)実験よりも顕著に低く、DAMA/LIBRAの異常に対するより迅速で決定的な結果が得られると示唆されている。