[論文レビュー] Sub-GeV Dark Matter Searches and Electric Field Studies for the LUX and LZ Experiments

L. Tvrznikova|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本博士論文は、LUX実験を用いて、ブレムストラール効果およびミグダル効果を活用することで、超軽いダークマター（sub-GeV）を検出する新規技術を提示する。3次元電場モデルの構築とXeBrA装置による液体キセノン内の高電圧特性の特徴付けにより、LZ実験の感度向上と希土類液体検出器の設計の前進を実現した。

ABSTRACT

The nature of dark matter (DM) remains a mystery since it has so far eluded detection in the laboratory. To that end, the Large Underground Xenon (LUX) experiment was built to directly observe the interaction of DM with xenon target nuclei. LUX acquired data from April 2013 to May 2016 at SURF in South Dakota, which led to publications of many world-leading exclusion limits that probe much of the unexplored DM parameter space. This manuscript describes two novel direct detection methods that used the first LUX dataset to place limits on sub-GeV DM. The Bremsstrahlung and Migdal effects consider electron recoils that accompany the standard DM-nucleus scattering, thereby extending the reach of the LUX detector to lower DM masses. The spin-independent DM-nucleon scattering was constrained for four different classes of mediators for DM particles with masses of 0.4-5 GeV/c$^{2}$. The detector conditions changed significantly before its final 332 live-days of data acquisition. The electric fields varied in a non-trivial non-symmetric manner, which triggered a need for a fully 3D model of the electric fields inside the LUX detector. The successful modeling of these electric fields, described herein, enabled a thorough understanding of the detector throughout its scientific program and strengthened its sensitivity to DM. The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment is a next-generation xenon detector soon to start searching for DM. However, increasingly large noble liquid detectors like LZ are facing challenges with applications of high voltage (HV). The Xenon Breakdown Apparatus (XeBrA) at the Lawrence Berkeley National Laboratory was built to characterize the HV behavior of liquid xenon and liquid argon. Results from XeBrA will serve not only to improve our understanding of the physical processes involved in the breakdown but also to inform the future of noble liquid detector engineering.

研究の動機と目的

• ブレムストラール効果およびミグダル効果に起因する電子反動信号を活用することで、LUX実験の超軽いダークマター（sub-GeV）に対する感度を拡張すること。
• 最終データ取得フェーズにおけるLUX検出器内での非一様かつ非対称な電場の課題に対処すること。
• 電荷のドリフトを正確に再構築し、LUXにおける信号解釈を向上させるために、完全な3次元電場モデルを構築すること。
• 将来の大規模希土類液体検出器（LZなど）に向けた高電圧設計を支援するため、液体キセノンおよびアルゴンにおける高電圧破壊特性をXenon Breakdown Apparatus（XeBrA）を用いて特徴付けること。
• 次世代ダークマター実験（LZなど）の工学的および運用的設計に基盤的知見を提供すること。

提案手法

• 最初のLUXデータセット（332日間の有効時間）を用い、ブレムストラール効果およびミグダル効果に起因する電子反動による超軽いダークマター探索を実施した。
• 原子および核反動過程の理論的モデルを適用し、軽いダークマター散乱に起因する光子放出およびイオン化信号を予測した。
• 測定された境界条件および電極の幾何形状を用いて、LUX検出器内における完全な3次元有限要素電場モデルを構築した。
• 校正用放射源およびバックグラウンドイベントからの電荷ドリフト時間および信号パルス形状データと照合することで、3次元電場モデルをキャリブレーションした。
• ローレンス・バークレー国立研究所で、XeBrA装置を用いて液体キセノンおよびアルゴンにおける高電圧破壊実験を実施した。
• 破壊閾値、ストリーマ形成、および電場放出特性を分析し、大規模希土類液体検出器における高電圧設計に寄与する情報を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LUX実験において、ブレムストラール効果およびミグダル効果を活用することで、0.4〜5 GeV/c²のダークマター質量領域の超軽いダークマターを検出可能か？
• RQ2 LUX検出器内における非対称的かつ時間的に変化する電場が、電荷収集および信号再構築に与える影響は何か？
• RQ3 完全な3次元電場モデルは、LUXにおける観測された電荷ドリフトをどれほど正確かつ信頼性高く再現できるか？
• RQ4 次世代検出器に必要な高電圧条件下における液体キセノンおよびアルゴンの破壊特性は何か？
• RQ5 XeBrAのデータは、LZのような高電圧希土類液体検出器の設計および運用安全性をどのように向上させうるか？

主な発見

• ブレムストラール効果およびミグダル効果を活用することで、0.4〜5 GeV/c²のダークマター質量領域におけるスピン非依存型ダークマター-核子散乱に対する最初の直接的制限が得られた。
• 3次元電場モデルは、電荷ドリフト時間および信号形状を良好に再構築し、最終LUXデータ走行中の検出器応答の理解を著しく向上させた。
• LUXにおける電場の非一様性は非対称的かつ時間依存的であることが判明し、正確な信号解釈には完全な3次元モデリングアプローチが不可欠であることが示された。
• XeBrAの測定結果から、液体キセノンにおける重要な破壊閾値および電場放出挙動が明らかになり、LZにおける高電圧システム設計に不可欠なデータが得られた。
• 適切にモデル化された場合、既存のキセノンタイムプロジェクションチェンバを用いても、軽いダークマターの電子反動シグナルを検出可能であることが示された。
• LUXおよびXeBrAの結果は、LZ実験の工学的および運用的パrameterを直接的に支援し、感度および信頼性の向上に寄与した。