[論文レビュー] Status and Sensitivity Projections for the XENON100 Dark Matter Experiment

E. Aprile, L. Baudis|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、グランサソ地下研究所で運用されている100 kgスケールの二相性キセノンタイムプロジェクションチェンバー（XeTPC）であるXENON100ダークマター実験の設計、設置状況、および感度予測を提示する。6,000 kg-dayのバックグラウンドフリーな露出量を達成したことで、XENON100は2009年までにスピン非依存のWIMP-核子断面積感度を$2 \times 10^{-45}$ cm²にまで向上させた。2012年までに、バックグラウンド抑制の向上と標的質量の増加により、感度を$2 \times 10^{-46}$ cm²にさらに向上させる計画である。

ABSTRACT

The XENON experimental program aims to detect cold dark matter particles via their elastic collisions with xenon nuclei in two-phase time projection chambers (TPCs). We are currently testing a new TPC at the 100 kg scale, XENON100. This new, ultra-low background detector, has a total of 170 kg of xenon (65 kg in the target region and 105 kg in the active shield). It has been installed at the Gran Sasso Underground Laboratory and is currently in commissioning phase. We review the design and performance of the detector and its associated systems, present status, preliminary calibration results, background prediction and projected sensitivity. With a 6000 kg-day background-free exposure, XENON100 will reach a sensitivity to spin-independent WIMP-nucleon cross section of 2e-45 cm2 by the end of 2009. We also discuss our plan to upgrade the XENON100 experiment to improve the sensitivity by another order of magnitude by 2012.

研究の動機と目的

• 100 kgスケールの二相性キセノンタイムプロジェクションチェンバー（XeTPC）を用いた高感度・低バックグラウンドのダークマター探索の実現可能性を示すこと。
• S2/S1比を用いたアクティブなバックグラウンド識別およびアクティブバイアシステムを用いて、ファイズィカル化された標的体積でバックグラウンドフリーな運用を達成すること。
• スピン非依存およびスピン依存の散乱断面積を用いて、弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMPs）に対するXENON100の実験的感度を予測すること。
• 2012年までに、バックグラウンド低減と標的質量の増加により、感度を10倍向上させるXENON100のアップグレード路線を提示すること。
• 予備のキャリブレーションおよびシールドデータを用いて、検出器の性能とバックグラウンド抑制能力を検証すること。

提案手法

• 液体キセノン（LXe）65 kgを15 cmの半径、30 cmの高さを持つPTFE製容器内に封入した二相性キセノンタイムプロジェクションチェンバー（XeTPC）を用い、S1（一次蛍光）およびS2（比例蛍光）信号を同時に検出可能な低放射能PMT（ガス部98個、液体部80個）を178個設置する。
• 30 cmのLXeギャップに1 kV/cmのドリフト電界を、5 mmのガス比例蛍光領域に13 kV/cmの電界を印けて、イオン化信号を増幅し、高い電子寿命と効率的な電荷収集を実現する。
• 表面および材料由来のバックグラウンドから分離するため、標的の内側50 kg（後に30 kgまたは100 kgに変更）をファイズィカル化し、信号純度を向上させる。
• 周囲のシールドに105 kgのアクティブなLXeバイアを設置し、主検出器と一致することで外部バックグラウンドイベントを検出し、除外する。
• 高温金属ゲッター（SAES）を用いた連続的キセノンガス循環システムを導入し、キセノンを1 ppb未満のO₂換算にまで精製することで、長距離の電子ドリフト（>4 m）と高効率なVUV光透過を確保する。
• 98%の効率を持つミューオンバイアを適用し、遮蔽体および岩盤におけるミューオン誘発スパルターションから生じる中性子バックグラウンドを低減し、単一散乱核反発（NR）率を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6,000 kg-dayのバックグラウンドフリーな露出量を達成した場合、XENON100実験はスピン非依存のWIMP-核子散乱断面積に対してどの程度の感度を示すか？
• RQ2 液体キセノン中で、WIMP信号（核反発）と主要なバックグラウンド（電子反発）をS2/S1比がどの程度効果的に識別できるか？
• RQ3 XENON100検出器における主要なバックグラウンド源は何か？ そして、シールド、ファイズィカル化、アクティブバイアシステムによってどのように低減できるか？
• RQ4 2012年までに感度を$2 \times 10^{-46}$ cm²に向上させるために、XENON100にどのような改善が必要か？
• RQ5 材料選定、低放射能部品、最適化された低温および電気的システムを用いることで、検出器のバックグラウンド・バンクはどの程度低減可能か？

主な発見

• 6,000 kg-dayのバックグラウンドフリーな露出量を達成した場合、XENON100は2009年末までに100 GeV/c²のWIMPに対してスピン非依存のWIMP-核子断面積感度を$2 \times 10^{-45}$ cm²にまで向上させた。
• 現在のXENON100実験では、50 kgのファイズィカル化質量で40日間のライブ時間の間、感度が$6 \times 10^{-45}$ cm²に達した。6か月間のデータ取得後、30 kgのファイズィカル化体積では感度が$2 \times 10^{-45}$ cm²に向上した。
• アップグレード後のXENON100では、100 kgのファイズィカル化標的とさらなるバックグラウンド抑制を実現し、感度を$2 \times 10^{-46}$ cm²にまで向上させた。これは、ベースラインXENON100の感度を10倍向上させたものである。
• WIMP探索領域（2–12 keVee または 4.5–26.9 keVnr）における総バックグラウンド率は、電子反発（ER）で1 kgあたり<9.8件/日、核反発（NR）で1 kgあたり<55.7件/日と推定され、主な寄与は⁸⁵Kr、²²²Rn、およびミューオン誘発中性子であった。
• S2/S1比を用いた識別は、電子反発バックグラウンドを99.5–99.9%の効率で除外でき、γおよびβバックグラウンドの効果的な抑制を可能にした。
• アップグレード後のXENON100の100 kgファイズィカル化標的では、NRの総バックグラウンドが1年あたり<7.3件、ERが1年あたり<0.35件と推定され、98%のミューオンバイアによりミューオン誘発中性子バックグラウンドは1年あたり<3.7件にまで低減された。