[論文レビュー] The DEAP-3600 Dark Matter Experiment

B. Cai|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

DEAP-3600実験は、SNOLABにおける球状アクリル検出器に3.6トンの液体アルゴンを用いて、核反発信号を用いて弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）を探索する。パルス波形分離、超高純度材料、ルビジウムフリー組立、および現地でのアクリル表面再処理を採用することで、背景レベルを100万kg・日あたり1イベント未満に抑え、100 GeVのWIMP質量においてスピン非依存WIMP-核子断面積に対して$10^{-46}$ cm²の感度を達成した。

ABSTRACT

The DEAP-3600 experiment uses 3.6 tons of liquid argon for a sensitive dark matter search, with a sensitivity to the spin-independent WIMP-nucleon cross-section of $10^{-46}$ cm$^2$ at 100 GeV WIMP mass. This high sensitivity is achievable due to the large target mass and the very low backgrounds in the spherical acrylic detector design as well as at the unique SNOLAB facility in Sudbury, Canada. Pulse shape discrimination is used to reject electromagnetic backgrounds from the WIMP induced nuclear recoil signal. We started taking commissioning data in early 2015 with vacuum and later gas inside the detector. Argon fill is expected in winter 2015. An overview and status of the DEAP-3600 experiment are presented in this paper, with an emphasis on control and mitigation of detector backgrounds.

研究の動機と目的

• 大容量液体アルゴン検出器におけるバックグラウンドを最小限に抑えることで、直接的暗黒物質検出において最高の感度を達成すること。
• 超高純度材料と制御された組立環境を用いて、ルビジウム娘核種および内在的放射能由来の放射性バックグラウンドを低減すること。
• ルビジウム由来の210Pbを除去するための現地でのアクリル容器表面再処理により、表面バックグラウンドを低減すること。
• 100万kg・日あたり1イベント未満のバックグラウンドレベルを達成することで、高感度WIMP検出を可能にすること。
• ガスおよび液体アルゴンを用いたキャリブレーションとコンMISSIONINGにより、検出器の性能を検証すること。

提案手法

• 検出器は、2インチの厚さの超高純度アクリル容器（AV）に3.6トンの液体アルゴンを封入し、四フェニルブタジエン（TPB）を用いて紫外光発光を可視光に波長変換する。
• 255個の高量子効率フォトマルチプライヤー管（PMT）が、アクリル光ガイドとポリエチレン充填ブロック（中性子遮蔽および断熱材）を介して発光光を集光する。
• ステンレス鋼のシェルと8メートルの直径を有する超高純度水タンクが、放射線遮蔽および宇宙線由来ミューオンのチェレンコフバヴォを提供する。
• AVは超高純度MMAモノマーから鋳造され、SNOLABで地下に設置されたパネルに加熱成形され、複数回のアニール工程を経て応力を低減した。
• 20フィートの延長を持つ特別なリセラーファー装置により、内側のアクリル表面から約0.4 mmを削り取り、ルビジウム由来の210Pbを除去した。これにより、アルファバックグラウンドは約10 α/m²/日まで低減された。
• バックグラウンド低減には、低放射能材料の選定、建設中のルビジウムフリーの換気、およびルビジウム被曝履歴の追跡による放射能純度推定が含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高純度材料と現地での表面清掃を用いた大容量液体アルゴン検出器で達成可能なバックグラウンドレベルは何か？
• RQ2 パルス波形分離は、液体アルゴン発光信号における電磁的バックグラウンドを効果的に遮断できるか？
• RQ3 現地でのアクリル容器表面再処理後、残存するアルファバックグラウンドはどの程度か？
• RQ4 ルビジウムフリーの組立および換気は、検出器表面へのルビジウム娘核種堆積を最小限に抑えるのにどの程度効果的か？
• RQ5 DEAP-3600検出器のスピン非依存WIMP-核子断面積に対する予想感度は何か？

主な発見

• DEAP-3600検出器は、100万kg・日あたり1イベント未満のバックグラウンドレベルを達成し、超低バックグラウンド設計目標を満たした。
• 現地での表面再処理後、AV内面の210Pbアルファ活動は、約5 × 10⁴ α/m²/日から約10 α/m²/日に低減された。
• アクリル容器内の210Pb濃度は、上限として2.2 × 10⁻¹⁹ g/gと測定され、超高純度の内在的放射能と整合的であった。
• 検出器のPMTシステムは2014年末以降稼働しており、効率およびコーティング均一性のキャリブレーションに375 nm、405 nm、445 nmのレーザー光源が使用されている。
• タイミングキャリブレーションと安定性は、435 nmのLEDを用いたアクリル反射板およびファイバー光システム（AARF）を週次で監視することで確保された。
• 水遮蔽タンクは、期待通りに検出器のイベントレートを低減し、鉱石由来のガンマ線および中性子バックグラウンドの効果的な吸収を確認した。