[논문 리뷰] Is DAMA Bathing in a Sea of Radioactive Argon?

D. N. McKinsey|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 27.

Ancient Egypt and Archaeology인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 DAMA/LIBRA가 2–6 keV 범위에서 오랫동안 관측한 연간 변동 신호가, 흡입 가스 내 방사성 아르곤 불순물에 의해 생성된 2.8 keV x선에서 기인한다고 제안한다. 이는 37Ar 붕괴(시나리오 1) 또는 coppe르 케이스 내 40Ar의 라돈 유도 이온화(시나리오 2)에 의해 발생한다. 가설은 중성자 플럭스와 라돈 농도의 계절적 변동을 통해 변동성을 설명하며, 현재 배경 제약 조건을 우회하는 합리적인 기기적 기원을 제시한다.

ABSTRACT

A hypothesis is proposed to explain the long-standing DAMA/LIBRA puzzle. Introduced into the DAMA/LIBRA shielding is a purge gas of nominally high-purity nitrogen, which under this hypothesis contains argon impurities. Argon is introduced into the nitrogen purge gas either through leaks in the purge gas plumbing, or through commercially-supplied bottled nitrogen, diffuses through materials in the detector housings, and then comes in direct contact with the DAMA/LIBRA detectors. These argon impurities can then lead to a modulating 2.8 keV background under two scenarios. Scenario 1): These impurities include the isotope 37Ar, which decays by electron capture, emitting a 2.8 keV x-ray. These decays appear as single-site, monoenergetic events in DAMA/LIBRA, and produce an annual modulation due to the variation of neutron flux in the atmosphere and at the Earth's surface, which in turn leads to a seasonal variation in 37Ar production from the reactions $^{40} extrm{Ca}( extrm{n,}α)^{37} extrm{Ar}$ and $^{36} extrm{Ar}( extrm{n,}γ)^{37} extrm{Ar}$. Scenario 2): Radon is also in the DAMA/LIBRA purge gas, modulating seasonally at a rate below the current DAMA/LIBRA limits. When radon or its short-lived daughters decay, the resulting beta, gamma, and bremsstrahlung radiation cause stable 40Ar to be ionized within the copper housings surrounding the NaI(Tl) detectors, resulting in characteristic 2.8 keV x-rays. Modulating backgrounds might also result from radon-induced neutron or gamma-ray flux from the surrounding cavern, leading to a small modulating background enhanced at low energy by the presence of 40Ar within the copper housings. These two scenarios are straightforward to test through assay of the purge gas as well as Monte Carlo and laboratory study of the DAMA/LIBRA copper housings when excited by ionizing radiation.

연구 동기 및 목표

• 다른 암흑물질 실험들이 광범위한 null 결과를 보임에도 불구하고 여전히 설명되지 않은 DAMA/LIBRA의 연간 변동 신호를 해결하기 위해.
• 질소 흡입 가스 내 아르곤 불순물이 2.8 keV x선 배경을 생성하여 암흑물질 신호를 모방하는 변동 신호를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 37Ar 또는 케이스 내 40Ar의 라돈 유도 이온화가 2–6 keV 에너지 창에서 계절적 변동을 유도할 수 있는지 시험하기 위해.
• 새로운 물리학이나 이국적인 암흑물질 상호작용이 필요 없이 검증 가능한 실험적 설명을 제공하기 위해.
• 저에너지 x선이 능동적 재료로 에너지를 채널링함으로써 고에너지에서 탐지되지 않는다는 점을 고려해, 관측된 변동을 기존 배경 제약과 조율하기 위해.

제안 방법

• DAMA/LIBRA의 흡입 가스 및 주변 대기 중 아르곤과 37Ar 농도를 측정하여 계절적 변동을 탐지하기 위해.
• 베타, 감마 또는 중성자 원천에 의해 조사된 아르곤 오염 질소에서의 x선 생성을 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 수행하기 위해.
• 실내 실험을 통해 구리 검출기 케이스에서 아르곤의 확산 속도와 라돈 붕괴 생성물에 의한 이온화에 의한 x선 수율을 측정하기 위해.
• NaI(Tl) 결정에서 2.8 keV x선의 에너지 투입 및 탐지 효율을 단일 위치 사건 특성에 따라 모델링하기 위해.
• 37Ar와 라돈 유도 이온화에 의한 예측된 변동 진폭을 2–6 keV 범위에서 관측된 0.0110 ± 0.0012 cpd/kg/keV 신호와 비교하기 위해.
• 다중 충격 사건의 확률을 평가하여, 모델이 DAMA의 다중 충격 사건에서 관측된 0.0004 cpd/keV/kg의 변동 없음과 일관성을 유지하는지 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 37Ar 붕괴가 질소 흡입 가스 내 아르곤 불순물에서 2.8 keV x선 신호를 생성하여 DAMA/LIBRA 관측치와 일치하는 변동 신호를 유도할 수 있는가?
• RQ2 대기 중 중성자 플럭스의 계절적 변동이 40Ca와 36Ar에서 (n,γ) 및 (n,α) 반응을 통해 37Ar 생성에 영향을 미치는가?
• RQ3 흡입 가스 또는 주변 환경 내 라돈이 케이스 내 40Ar를 이온화하여 2.8 keV x선을 생성할 수 있으며, 이로 인한 변동이 관측된 신호와 일치하는가?
• RQ4 관측된 2–6 keV 변동이 고에너지에서 탐지되지 않는다는 점을 고려할 때, 아르곤 x선에서 기인한 배경과 일관한가?
• RQ5 가스 분석, 재료 테스트, x선 생성 및 탐지에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 가설을 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 가설은 2–6 keV 연간 변동이 대기 및 토양 내 중성자 플럭스 변동에 의해 유도되는 2.8 keV x선에서 기인한다고 설명하며, 이는 중성자 조절과 관련된 37Ar 수율 변화에 기인한다.
• 37Ar 생성률은 대기 밀도와积설의 변화로 인해 계절적으로 변동하며, 이는 관측된 9.3σ 신호와 일치한다.
• 시나리오 2는 라돈 유도 이온화에 의해 2.8 keV x선 배경을 생성할 수 있으며, 특히 아르곤 확산 및 이온화 효율이 조절될 경우 DAMA 신호와 호환되는 비율을 가질 수 있다.
• 관측된 변동 진폭 0.0110 ± 0.0012 cpd/kg/keV는 90 keV 이상에서 총 사건률의 25% 이상을 차지하는 아르곤 x선 배경과 일치하며, 이는 현재 0.17–0.19 cpd/kg의 배경 제약 범위 내에 들어간다.
• 다중 충격 사건에서 변동이 관측되지 않는 것과 일관하며, 아르곤에서 유래한 2.8 keV x선이 한 개 이하의 NaI(Tl) 검출기에서만 에너지를 투입할 가능성이 낮아 4% 이하이기 때문이다.
• 3 keV 피크를 피팅할 때 예상보다 높은 40K 오염(20 ppb 대비 13 ppb)이 필요한 이유를 설명할 수 있으며, 이는 일정한 아르곤 x선 배경이 기준선에 기여할 수 있기 때문이다.