[論文レビュー] The DAMIC experiment at SNOLAB

M. Settimo|arXiv (Cornell University)|May 25, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

SNOLABにおけるDAMIC実験は、高抵抗率で完全にデプルートされたCCDを用いて低質量のダークマター粒子を探索しており、40 gの検出器質量で50 eV eeのエネルギー閾値を達成している。これは1 keV未満の感度を示しており、中央のCCDでは背景レベルが2 DRUにまで低下している。DAMIC-Mでは1 kgの質量と2電子の閾値を実現する計画であり、GeVスケールのWIMPsおよび隠れたセクターのダークマターを探索する。

ABSTRACT

The DAMIC (Dark Matter in CCDs) experiment at the SNOLAB underground laboratory uses fully depleted, high resistivity CCDs to search for dark matter particles with masses below 10 GeV/c$^2$. An upgrade of the detector using an array of seven 16-Mpixel CCDs (40 g of mass) started operation in February 2017. The new results, obtained with the current detector configuration, will be presented. Future plans for DAMIC-M, with a total mass of 1kg and a ionization threshold of 2 electrons, will be discussed.

研究の動機と目的

• 10 GeV/c²未満の質量を有するダークマター粒子を高感度CCDを用いて探索すること。
• 低質量のWIMPsおよびダークマター-電子相互作用を検出可能な1 keV未満のエネルギー閾値を達成すること。
• 3次元イベント再構築とフィducialボリューム選択により、バックグラウンド汚染を低減すること。
• 将来のkgスケールのダークマター探索に向けたスケーラブルで低バックグラウンドの検出器を開発すること。
• 軽いメディエーターを伴う隠れたセクターのダークマター理論モデルの探索を可能にすること。

提案手法

• 16-Mpixel、675 µm 厚の高抵抗率で完全にデプルートされたCCDを標的材料として用いる。
• 電荷拡散の3次元再構築を用いて相互作用の深さを特定し、表面イベントを除外する。
• 読み出しノイズと信号クラスタを区別するためのΔLL尤度基準を適用する。
• 横方向の拡散（σ）に基づくフィducial領域カットを実施し、表面および裏面イベントを除外する。
• 140 Kの冷却と、鉛およびポリエチレンからなる多重層シールドを用いて外部バックグラウンドを抑制する。
• DAMIC-Mでは、スキャッパー読み出しを導入し、1電子分解能を実現する計画である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 eV ee未満のエネルギー閾値を持つCCDは、10 GeV/c²未満の低質量WIMPsを検出可能か？
• RQ2 3次元電荷拡散再構築は、表面およびバルクバックグラウンドイベントをどの程度効果的に除外できるか？
• RQ3 140 Kで冷やされた40 gのCCDアレイに多重層シールドを適用した場合、実現可能なバックグラウンドレベルはどの程度か？
• RQ4 2電子の閾値を持つ1 kgスケールの検出器は、隠れたセクターのダークマター理論モデルのパラメータ空間を探索可能か？
• RQ5 エネルギー閾値を向上させたDAMICは、CDMS-II Siと比較してCMDS信号過剰のパラメータ空間にどの程度感度を持つのか？

主な発見

• 現在のDAMIC設定では、期待される読み出しノイズ漏れが1データセットあたりたった0.01イベントという低水準で、50 eV eeのエネルギー閾値を達成している。
• 中央のCCDでは、古代の鉛ブロックに挟まれた状態で、0.5–14.5 keVの範囲でバックグラウンドレベルが2 DRUにまで低下している。他のCCDでは5 DRUである。
• 電荷拡散に基づく3次元再構築により、表面イベントの効果的な除外が可能であり、フィducialカットによって8 keVの銅の蛍光ピークが除去された。
• 漏れ電流が10⁻³ e⁻/ピクセル/日という低水準であり、ホワイトノイズが約1.6電子（6 eV ee）であるため、高精度な信号検出が可能である。
• 4.6 kg・日という露出量を有することで、DAMICはCMDS信号過剰のパラメータ空間の広い領域を探索可能となり、CDMS-II Siと比較してエネルギー閾値で1桁の改善が達成された。
• 将来のDAMIC-Mでは、スキャッパー読み出しを用いて2電子の閾値を達成し、GeVスケールのWIMPsおよび隠れたセクターのダークマター理論モデルに対する感度を実現する。