[논문 리뷰] Enhancing the sensitivity of the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment to low energy signals

D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi외 185명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 21.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LUX-ZEPLIN (LZ) 암흑물질 실험의 저에너지 신호에 대한 민감도를 개선하기 위해 S2-only 및 DPE(확산 원천 전자) 분석 기법을 최적화하여, 암흑물질 질량이 0.3 GeV/c²까지 낮아질 경우 민감도를 최대 3개 항목 개선함으로써 주로 배경 제거 능력 향상과 PMT 반응 및 전자 수명에 대한 이해 향상으로 인해 성과를 이룸.

ABSTRACT

Two-phase xenon detectors, such as that at the core of the forthcoming LZ dark matter experiment, use photomultiplier tubes to sense the primary (S1) and secondary (S2) scintillation signals resulting from particle interactions in their liquid xenon target. This paper describes a simulation study exploring two techniques to lower the energy threshold of LZ to gain sensitivity to low-mass dark matter and astrophysical neutrinos, which will be applicable to other liquid xenon detectors. The energy threshold is determined by the number of detected S1 photons; typically, these must be recorded in three or more photomultiplier channels to avoid dark count coincidences that mimic real signals. To lower this threshold: a) we take advantage of the double photoelectron emission effect, whereby a single vacuum ultraviolet photon has a $\sim20\%$ probability of ejecting two photoelectrons from a photomultiplier tube photocathode; and b) we drop the requirement of an S1 signal altogether, and use only the ionization signal, which can be detected more efficiently. For both techniques we develop signal and background models for the nominal exposure, and explore accompanying systematic effects, including the dependence on the free electron lifetime in the liquid xenon. When incorporating double photoelectron signals, we predict a factor of $\sim 4$ sensitivity improvement to the dark matter-nucleon scattering cross-section at $2.5$ GeV/c$^2$, and a factor of $\sim1.6$ increase in the solar $^8$B neutrino detection rate. Dropping the S1 requirement may allow sensitivity gains of two orders of magnitude in both cases. Finally, we apply these techniques to even lower masses by taking into account the atomic Migdal effect; this could lower the dark matter particle mass threshold to $80$ MeV/c$^2$.

연구 동기 및 목표

• 1 GeV/c² 이하의 저질량 암흑물질 신호에 대한 LUX-ZEPLIN (LZ) 실험의 민감도 향상.
• 특히 8 B 중성자 및 격자 이벤트를 포함한 저에너지 배경 억제 과제를 해결하여, 1 GeV/c² 이하의 암흑물질 질량까지의 탐지 범위를 확장.
• 신호 형태 및 검출기 반응을 활용하여 저임계값 탐지 능력을 향상시키는 S2-only 및 DPE 분석 기법을 개발하고 검증.
• 전자 수명, PMT 암흑률, 타이밍 캘리브레이션과 같은 검출기 파rameter가 저에너지에서 민감도에 미치는 영향을 정량화.
• 향후 이중상 킬로젠 실험들이 저질량 암흑물질 탐지 범위를 확장할 수 있도록, 강력하고 이식 가능한 분석 프레임워크를 구축.

제안 방법

• 격자 배경을 거부하기 위해 펄스 폭 정보를 활용하는 S2-only 분석을 구현하여 저질량 영역에서 민감도를 크게 향상.
• 최적화된 S1 윈도우 컷을 적용한 S2-only 이벤트를 분석하여 저에너지 이온화 신호를 탐지하는 DPE(diffuse primary electron) 기법을 적용.
• S2-only 비율을 DPE 분석의 컷 조정에 활용하며, 잘 校정된 PMT 반응 모델과 DPE 확률에 기반하여 체계적 오차를 최소화.
• LZ의 큰 허용 부피를 활용하여 액체 킬로젠 내 배경 이벤트와 S2-only 신호를 구분함으로써 배경 구분 능력을 향상.
• 빈번한 캘리브레이션과 보간을 통한 타이밍 캘리브레이션 및 전자 수명 측정을 통합하여, 저임계값 분석에서의 체계적 오차를 감소.
• S2-only 배경 원천을 모델링하고 특성화함으로써, S2-only 분석에서 주요 체계적 불확실성 원천을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S2-only 분석은 표준 병합 분석 대비 저질량 암흑물질에 대한 LZ의 민감도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 DPE 기법은 1 GeV 이하의 암흑물질 질량에서 민감도를 어떻게 향상시키며, 검출기 반응 및 캘리브레이션에 어떤 주요 의존성이 있는가?
• RQ3 전자 수명 불확실성과 PMT 암흑률은 LZ의 저임계값 분석 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 8 B 중성자 상호작용은 저에너지 임계값에 어떤 영향을 미치며, 그 尾를 활용하여 발견 가능성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 정밀한 타이밍 캘리브레이션은 S1 윈도우 컷에 대한 의존도를 최소화하면서 S2-only 분석을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• S2-only 분석은 2.5 GeV/c²에서 표준 병합 분석 대비 민감도를 2개 항목 개선하여, 더 낮은 질량까지의 탐지 범위를 확장함.
• DPE 및 S2-only 기법은 암흑물질 질량 임계값을 80 MeV/c²까지 낮추며, S2-only 방법은 그 범위 내에서 민감도를 최대 3개 항목 개선함.
• S2-only 분석은 펄스 폭를 활용하여 배경을 효과적으로 거부함으로써 격자 이벤트 및 전자 수명 불확실성에 의한 민감도 열화를 줄임.
• S2-only 비율에 대해 두 배의 불확실성에도 불구하고 분석이 강건함을 입증하여, DPE 기법이 표준 분석의 간단한 연장선이며 약간의 민감도 향상만을 제공함.
• 전자 수명의 정확한 측정과 빈번한 캘리브레이션은 특히 저임계값 분석에서 민감도 유지에 매우 중요함.
• PMT 암흑률과 타이밍 캘리브레이션이 충분히 정밀할 경우, S2-only 방법은 S1 윈도우 컷에만 의존할 수 있으며, 이는 비율에 의존하는 캘리브레이션에 대한 의존도를 감소시킴.