[논문 리뷰] Projected WIMP sensitivity of the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment

D. S. Akerib, Akerlof, C. W.외 176명|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|2018. 02. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 1,000일 동안의 실시간 노출 기간 동안 5.6톤의 임의 질량을 가진 LUX-ZEPLIN(LZ) 실험의 스핀에 의존하지 않는(SI) 및 스핀에 의존하는(SD) 약한 상호작용을 하는 거대 입자(WIMP) 산란에 대한 민감도를 예측한다. 초저배경 수준과 외부 검출기 및 크세논 피복 비트로 시스템을 통한 능동적 배경 억제를 통해, LZ는 40 GeV/c²에서 SI WIMP-핵자 산란에 대해 90% 신뢰수준에서 1.4×10⁻⁴⁸ cm²의 배제 한계를 달성할 것으로 예측되며, 이는 이전 실험들에 비해 10배 이상 향상된 성능이다.

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) is a next generation dark matter direct detection experiment that will operate 4850 feet underground at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota, USA. Using a two-phase xenon detector with an active mass of 7~tonnes, LZ will search primarily for low-energy interactions with Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), which are hypothesized to make up the dark matter in our galactic halo. In this paper, the projected WIMP sensitivity of LZ is presented based on the latest background estimates and simulations of the detector. For a 1000~live day run using a 5.6~tonne fiducial mass, LZ is projected to exclude at 90\% confidence level spin-independent WIMP-nucleon cross sections above $1.4 imes 10^{-48}$~cm$^{2}$ for a 40~$\mathrm{GeV}/c^{2}$ mass WIMP. Additionally, a $5σ$ discovery potential is projected reaching cross sections below the exclusion limits of recent experiments. For spin-dependent WIMP-neutron(-proton) scattering, a sensitivity of $2.3 imes 10^{-43}$~cm$^{2}$ ($7.1 imes 10^{-42}$~cm$^{2}$) for a 40~$\mathrm{GeV}/c^{2}$ mass WIMP is expected. With underground installation well underway, LZ is on track for commissioning at SURF in 2020.

연구 동기 및 목표

• 직접 탐측을 통한 약한 상호작용을 하는 거대 입자(WIMPs)에 대한 LUX-ZEPLIN(LZ) 암흑물질 실험의 민감도를 예측하기 위해.
• 초저방사능, 능동적 배경 억제, 그리고 임의 질량의 영향이 WIMP 탐측 민감도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 스핀에 의존하지 않는 및 스핀에 의존하는 WIMP-핵자 산란 단면적에 대한 발견 가능성과 배제 한계를 정량화하기 위해.
• 실험 설계가 이전에 탐색되지 않은 WIMP 매개변수 공간의 영역을 탐색할 수 있는 능력을 확립하기 위해.

제안 방법

• LZ에 사용된 재료의 방사능 순도 및 에너지 분辨 특성에서 유도된 세부적인 검출기 반응 모델에 기반한 민감도 예측을 수행하였다.
• 내재 및 환경 배경을 추정하기 위해 재료 스크리닝 캠페인 결과를 바탕으로 종합적인 배경 모델을 수립하였다.
• 내부 및 외부 원인에서 기인한 중성자 및 감마선을 억제하기 위해 외부 검출기 및 능동적 크세논 피복 비트로 시스템을 모델링하였다.
• 시간 투영 침전실(TPC)에서 WIMP 상호작용, 신호 형성, 배경 제거 효율을 모의하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 실험의 노출는 5.6톤의 임의 질량과 1,000일의 실시간 노출로 계산되었으며, 통계적 불확실성은 90% 신뢰수준에서 평가되었다.
• 배제 및 발견 가능성에 대한 표준 통계 방법을 사용하여 민감도 한계를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5.6톤의 임의 질량과 1,000일의 노출 기간 동안 스핀에 의존하지 않는 WIMP-핵자 산란 단면적에 대해 90% 신뢰수준에서의 배제 한계는 무엇인가요?
• RQ2 외부 검출기 및 크세논 피복을 포함한 LZ의 능동 비트로 시스템은 내부 및 환경 원인에서 기인한 배경 사건을 어떻게 억제합니까?
• RQ3 WIMP 질량이 40 GeV/c²일 때, LZ는 스핀에 의존하는 WIMP-중성자 및 WIMP-양성자 산란에 대해 어떤 민감도를 보입니다?
• RQ4 LZ의 초저배경 환경는 매개변수 공간의 이전에 탐색되지 않은 영역에서 WIMP를 발견할 수 있도록 얼마나 도움이 됩니까?
• RQ5 단면적 탐색 범위 측면에서, LZ의 예측 민감도는 이전 및 현재의 직접 탐측 실험들과 비교해 어떻게 다릅니까?

주요 결과

• 스핀에 의존하지 않는(SI) WIMP-핵자 산란의 경우, 40 GeV/c²의 WIMP 질량에서 LZ는 90% 신뢰수준에서 1.4×10⁻⁴⁸ cm² 이상의 단면적을 배제할 것으로 예측된다.
• 스핀에 의존하는(SD) WIMP-중성자 산란의 경우, 40 GeV/c²에서 LZ는 최고 민감도 2.3×10⁻⁴³ cm²를 달성하여 이전 실험들에 비해 상당한 향상이 이루어졌다.
• SD WIMP-양성자 산란의 경우, 40 GeV/c²에서 예측 민감도는 7.1×10⁻⁴² cm²에 도달하여 이전에 탐색되지 않은 매개변수 공간의 영역을 감지할 수 있음을 보여준다.
• 5.6톤의 임의 질량과 1,000일의 노출는 이전 실험들의 90% 배제 한계 이하의 WIMP 단면적에 대한 발견 가능성을 제공한다.
• 초저배경 수준과 외부 검출기 및 크세논 피복 비트로를 통한 능동적 배경 억제의 조합은 잔류 배경 레이트에 대한 강력한 현장 제약 조건을 제공한다.
• LZ는 이전의 액체 크세논 실험들에 비해 민감도가 10배 이상 향상되어, WIMP 직접 탐측의 나머지 매개변수 공간의 상당 부분을 탐색할 것으로 기대된다.