[論文レビュー] The Southern Hemisphere Hunt for Dark Matter at the Stawell Underground Physics Laboratory

P. Urquijo|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、DAMA/LIBRAが報告した年齢周期的変動信号を検証するために、高純度NaI(Tl)検出器を用いるSABRE暗黒物質実験のための南半球の施設として、オーストラリアのスタウェル地下物理学実験施設（SUPL）を提案している。北半球および南半球に二つのSABRE検出器を同時に設置することで、モデルに依存しない方法で暗黒物質仮説の確認または否定が可能になるとされ、背景レベルはDAMA/LIBRAと比較して約2倍低くなると予想され、3年間の観測で3σ以上の信頼水準で確認または否定が可能となる。

ABSTRACT

I report on the Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL), a new facility to be built in 2016, located 1 km below the surface in western Victoria, Australia. I will discuss the status of the proposed SABRE experiment, which will be comprised of a pair of high purity 50-60 kg NaI crystal detectors with active veto shielding to be located in labs in the Northern and Southern Hemispheres respectively. I also discuss projects beyond SABRE, including directional dark matter detectors, which will be used to determine the origin of any true dark matter signals.

研究の動機と目的

• DAMA/LIBRA実験が報告した年齢周期的変動信号を確認または否定すること。これは、弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMPs）の兆候である可能性がある。
• XENON や LUX などの他の実験が得たnull結果とDAMA/LIBRAの陽性結果の間に生じる矛盾を、モデルに依存しないテストによって解消すること。
• 南半球初の深地下実験施設を確立し、暗黒物質検出の世界的なカバー範囲を確保すること。
• SUPLの最適な地理的位置を活用して、WIMP風の方向性を観測することで、方向性暗黒物質検出を前進させること。
• 高純度結晶とアクティブバイアス遮蔽を用いて背景レベルを低減し、背景率を約0.4 cpd/kg/keV eeに抑えること。

提案手法

• 北半球および南半球にそれぞれ50–60 kgの高純度NaI(Tl)結晶を備えた同一のSABRE検出器を同時に設置し、変動信号を比較する。
• アクティブバイアス遮蔽および一致計数技術を用いて、40K崩壊や宇宙線誘発背景を含む背景イベントを拒否する。
• Geant4を用いたモンテカルロシミュレーションにより、背景拒否効率をモデル化し、1–4 keVを結晶に付与する40Kイベントの約90％がバイアスまたは一致技術で拒否されることを示した。
• パルス状ネイロン源と時間飛行法を用いてナトリウム再結合のクエンチング因子を測定し、DAMA信号の解釈を精緻化する。
• 銀河系静止フレームを用いて、WIMP誘発核反発の方向性非等方性を検出する。予想される過剰はサイクヌス方向に現れる。
• SUPLの1 kmの深さと低背景環境を活用して、宇宙線および環境的放射能を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 南半球におけるSABRE実験は、DAMA/LIBRAが報告した年齢周期的変動信号を独立して確認または否定できるか？
• RQ2 NaI(Tl)結晶におけるナトリウム再結合の真のクエンチング因子は何か？ そしてそれはDAMA信号の解釈にどのように影響するか？
• RQ3 SUPLにおける方向性暗黒物質検出器は、再結合軌跡の方向を測定することで、WIMP誘発再結合と等方的背景イベントを区別できるか？
• RQ4 SABREにおけるSUPLの期待される背景レベルは何か？ 3年間の観測でDAMA信号に対して3σの感度に達成できるか？
• RQ5 SUPLの地理的位置は、WIMP風非等方性の観測可能な振幅を最大限に高めるか？

主な発見

• SABRE実験は、SUPLで約0.4 cpd/kg/keV eeの背景レベルに達すると予想され、これはDAMA/LIBRAの平坦な単一率と比較して約2倍低い。
• モンテカルロシミュレーションにより、結晶に1–4 keVを付与する40Kイベントの約90％がバイアスまたは一致技術で拒否されることが示された。
• パルス状ネイロンを用いたナトリウム再結合クエンチング因子の再分析により、DAMA/LIBRA信号は従来の予想（7–20 keV ee）よりも高いWIMP質量領域（13–32 keV ee）に起因する可能性があると示唆された。
• SABRE実験は、3年間の観測期間でDAMA/LIBRAの変動信号を3σ以上の信頼水準で確認または否定できる。
• SUPLの位置は、WIMP風の赤経変動の最大振幅を提供し、方向性検出における観測可能な非等方性を最大限に高める。
• 低圧ガスタイムプロジェクションチェンバーを基盤とするCYGNUSプロジェクトのような方向性検出器は、将来的にSUPLでの大規模な展開に適した候補である。