[논문 리뷰] Cosmogenic background simulations for the DARWIN observatory at different underground locations

Martín F. Adrover, L. Althueser외 181명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 28.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 DARWIN 액체 킵톤 시간 영상실에서 4개의 후보 지하 실험실에서 우주선 배경 생성을 세밀하게 몬테카를로 시뮬레이션한다. MUSUN에서 제공하는 실제 뮤온 스펙트럼을 사용한 맞춤형 Geant4 프레임워크를 통해 137Xe 및 트리티움과 같은 핵종의 활성화율을 계산하였으며, 137Xe 생성률은 이전 추정치보다 약 8배 낮게 나타났다. 이는 모든 위치에서 8B 중성자율 배경 수준 이하이므로, 현장 선정을 위한 추가 선택 기준이 필요하다.

ABSTRACT

Xenon dual-phase time projections chambers (TPCs) have proven to be a successful technology in studying physical phenomena that require low-background conditions. With 40t of liquid xenon (LXe) in the TPC baseline design, DARWIN will have a high sensitivity for the detection of particle dark matter, neutrinoless double beta decay ($0 u\beta\beta$), and axion-like particles (ALPs). Although cosmic muons are a source of background that cannot be entirely eliminated, they may be greatly diminished by placing the detector deep underground. In this study, we used Monte Carlo simulations to model the cosmogenic background expected for the DARWIN observatory at four underground laboratories: Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), Sanford Underground Research Facility (SURF), Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) and SNOLAB. We determine the production rates of unstable xenon isotopes and tritium due to muon-included neutron fluxes and muon-induced spallation. These are expected to represent the dominant contributions to cosmogenic backgrounds and thus the most relevant for site selection.

연구 동기 및 목표

• 다양한 지하 위치에서 뮤온 유도 반응에 의한 액체 킵톤 내 우주선 배경 기여도를 평가하기 위해.
• 암석 및 콘크리트 차폐의 137Xe, 트리티움 및 기타 핵종 활성화에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• DARWIN 실험의 최종 현장 선정을 위한, 업데이트된 현장별 배경 핵종 생성률을 제공하기 위해.
• MUSUN에서 유래한 실제 뮤온 에너지-각도 상관관계를 사용하여 배경 예측의 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 향상된 뮤온 추적 및 차폐 모델링 기능을 갖춘 맞춤형 DARWIN-Geant4 시뮬레이션 프레임워크를 개발하였다.
• MUSUN 소프트웨어 패키지에서 유래한 실제 에너지-각도 상관관계를 사용한 뮤온 생성기 구현하였다.
• Shielding 물리 리스트를 사용하여 암석, 콘크리트 및 액체 킵톤 내 뮤온 유도 분열 및 중성자 포획 반응을 시뮬레이션하였다.
• 체계적 오차를 추정하기 위해 ShieldingLEND 및 QGSP BIC HP 물리 리스트를 사용한 보조 시뮬레이션을 실시하였다.
• 모의 9.3년의 작동 시간 동안 125Xe, 127Xe, 133Xe, 135Xe, 137Xe 및 트리티움의 생성률을 추적하였다.
• 다양한 물리 리스트 간 결과 비교를 통해 체계적 오차를 계산하고, 최종 생성률 추정치에 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 지하 실험실에서 DARWIN TPC 내 137Xe 및 트리티움의 현장별 우주선 유도 활성화율은 어떻게 되는가?
• RQ2 암석 및 콘크리트 차폐의 변화가 액체 킵톤 내 뮤온 유도 배경 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 뮤온 유도 분열 및 중성자 포획 반응이 저에너지 전자 반발 영역의 배경에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 업데이트된 137Xe 생성률은 이전 추정치와 어떻게 비교되며, 0νββ 붕괴 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 137Xe 및 트리티움 이외의 어떤 핵종이 비용소멸적인 우주선 유도 활성화를 보이며, WIMP 또는 ALP 탐색의 배경에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 라보라토리 나치오날리 데ル 그란 사소(LNGS)에서 액체 킵톤 내 137Xe 생성률은 (4.63±0.02±0.16sys)×10⁻² kg⁻¹yr⁻¹로 추정되었으며, 이는 이전 추정치보다 상당히 낮다.
• 모든 4개의 현장에서 137Xe 생성률은 8B 중성자율 산란 배경 수준 이하이므로, 더 이상 주요 배경 기여원이 아니라는 것을 의미한다.
• 트리티움 생성률은 10⁻² kg⁻¹yr⁻¹ 수준으로 추정되었으며, 이는 이전 값과 일치하며 저에너지 전자 반발 탐색에 관련이 있다.
• 연구된 킵톤 동위원소 중에서 127Xe가 가장 높은 생성률을 보였으며, LNGS에서 (6.39±0.02±0.60sys)×10⁻² kg⁻¹yr⁻¹로 측정되어 배경 모델링에 잠재적 중요성을 지닌다.
• 121Cs, 135Sn 및 123Te에서 시작하는 핵종 계열이 저에너지 배경에 기여할 수 있는 잠재적 기여자로 확인되었으며, 향후 연구가 필요하다.
• 물리 리스트 변화에 의한 체계적 오차는 대부분의 핵종에서 약 10–15%로 추정되었으며, QGSP BIC HP 리스트에서 가장 큰 기여를 하였다.