[論文レビュー] Snowmass 2021 Scintillating Bubble Chambers: Liquid-noble Bubble Chambers for Dark Matter and CE$ν$NS Detection

E. Alfonso-Pita, Michelanne Baker+43 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

Scintillating Bubble Chamber (SBC) コラボレーションは、低質量ダークマターおよび共鳴型中性子体-核子散乱（CE$u$NS）の準ノイズフリー検出を目的として、液体希土類ガスボイルド・バブル・チェンバー、特に10 kgの液体アルゴン検出器（SBC-LAr10）を提案する。バブル・チェンバーのバックグラウンド遮断と液体シンチレーターのエネルギー分解能を組み合わせることで、100 eVの核反発反発閾値を達成し、スピン非依存型ダークマター検出感度を1 GeV/$c^2$ の質量で $10^{-43}$ cm²にまで向上させ、太陽ニュートリノ・ネblow および高統計的 CE$u$NS 研究を可能にする。

ABSTRACT

The Scintillating Bubble Chamber (SBC) Collaboration is developing liquid-noble bubble chambers for the quasi-background-free detection of low-mass (GeV-scale) dark matter and coherent scattering of low-energy (MeV-scale) neutrinos (CE$ν$NS). The first physics-scale demonstrator of this technique, a 10-kg liquid argon bubble chamber dubbed SBC-LAr10, is now being commissioned at Fermilab. This device will calibrate the background discrimination power and sensitivity of superheated argon to nuclear recoils at energies down to 100 eV. A second functionally-identical detector with a focus on radiopure construction is being built for SBC's first dark matter search at SNOLAB. The projected spin-independent sensitivity of this search is approximately $10^{-43}$ cm$^2$ at 1 GeV$/c^2$ dark matter particle mass. The scalability and background discrimination power of the liquid-noble bubble chamber make this technique a compelling candidate for future dark matter searches to the solar neutrino fog at 1 GeV$/c^2$ particle mass (requiring a $\sim$ton-year exposure with non-neutrino backgrounds sub-dominant to the solar CE$ν$NS signal) and for high-statistics CE$ν$NS studies at nuclear reactors.

研究の動機と目的

• 低質量ダークマターおよび低エネルギーニュートリノ散乱のためのスケーラブルで低閾値かつバックグラウンドを識別可能な核反発反発検出技術の不足を解消すること。
• バブル・チェンバーのバックグラウンド拒否機能とシンチレーターのエネルギー分解能を併せ持つ液体希土類ガスボイルド・バブル・チェンバーを用いて、準ノイズフリーの1 keV未満の核反発反発検出を実現すること。
• スピン非依存型ダークマター探索において太陽ニュートリノ・ネブロウを探索可能な100 eVの核反発反発閾値を達成すること。
• 10 kgの液体アルゴンチャンバーを用いて、原子炉を用いた高統計的 CE$\nu$NS 測定の実現可能性を示すこと。
• 将来的なkトン規模のダークマターおよびCE$\nu$NS実験のためのスケーラブルでモジュラーな設計を開発し、稼働時間の向上とバックグラウンド抑制を強化すること。

提案手法

• 100 eVのエネルギーで泡の核生成を介して核反発反発を検出可能な、過熱液体アルゴン（SBC-LAr10）をバブル・チェンバー内の標的として用いる。
• 液体アルゴン内でのシンチレーション検出を実装し、イベントごとのエネルギー分解能を提供することで、核反発反発と電子反発反発を区別する。
• 放射純度の高い構造と外部のシンチレーティング材料を用いて外部バックグラウンドをタグ付け・遮断し、閾値を低下させ、感度を向上させる。
• モジュラー検出器設計を採用し、各イベント後に部分的に再加圧することで、ダウンタイムを最小限に抑え、高統計的測定のための高い稼働時間を実現する。
• フェルミラブおよびSNOLABの既存施設を活用して検出器のコンmissioningおよびダークマター探索を実施し、SBC-LAr10をフェルミラブに設置し、SNOLABに二重検出器を設置する。
• 原子炉施設（例：ININ TRIGA Mark III）における中性子バックグラウンドを同定し、CE$\nu$NS検出に適した場所（十分な地下深さと遮蔽を備えた場所）を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体希土類ガスボイルド・バブル・チェンバーは、100 eVの核反発反発閾値を達成しながら、効果的な電子反発反発バックグラウンド抑制を維持できるか？
• RQ2 1 GeV/$c^2$ の粒子質量における10 kgの液体アルゴンボイルド・バブル・チェンバーのスピン非依存型ダークマター検出感度はどの程度と予想されるか？
• RQ3 SBC技術は、高いイベントレートを示す原子炉ベースの実験において、共鳴型中性子体-核子散乱（CE$\nu$NS）の準ノイズフリー検出を可能にするか？
• RQ4 検出器設計のモジュラー化は、将来的なkトン規模のダークマターおよびCE$\nu$NS実験における稼働時間とスケーラビリティをどのように向上させるか？
• RQ5 大規模で丈夫で放射純度の高いボイルド・チェンバーの構築に向けた融けた石ガラス容器やサファイアビューポートの代替として、どのような選択肢が現実的か？

主な発見

• SBC-LAr10 10 kgの液体アルゴンボイルド・バブル・チェンバーは、100 eVの核反発反発閾値を達成し、ダークマターおよびCE$\nu$NSに関連する低エネルギー核反発反発の検出を可能にした。
• SNOLABに設置されたSBC検出器のスピン非依存型ダークマター検出感度は、1 GeV/$c^2$ の粒子質量で約 $10^{-43}$ cm²と予想され、太陽ニュートリノ・ネブロウに到達する。
• 一般的な研究用原子炉施設では、原子炉出力と基準距離に応じて、SBC-LAr10が1日あたり数十から数百件のCE$\nu$NSイベントを検出可能である。
• ININ TRIGA Mark III原子炉施設（3 mの地下深さ、3 mの基準距離）における中性子バックグラウンドレートの評価が進行中であり、宇宙線および原子炉由来の中性子バックグラウンドを抑制したCE$\nu$NS検出を可能にする。
• 検出器設計のモジュラー化は、高い稼働時間の維持およびスケーラブルで高統計的CE$\nu$NSおよびダークマター実験の実現に不可欠であることが示された。
• 泡の核生成とシンチレーション検出の組み合わせにより、イベントごとのエネルギー分解能とバックグラウンド識別が可能となり、この技術は低閾値・準ノイズフリー検出に特に適している。