[논문 리뷰] Sub-GeV Dark Matter Searches and Electric Field Studies for the LUX and LZ Experiments

L. Tvrznikova|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 18.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 박사학위 논문은 브레머스트라할링 및 미그달 효과를 활용하여 LUX 실험을 통해 1GeV 이하의 어둠의 물질 탐지 기술을 제안한다. 이는 경량 어둠의 물질에 대한 감도를 향상시키기 위한 것이다. LUX에 대한 완전한 3차원 전기장 모델을 개발하고, XeBrA 장치를 통해 액체 크세논 내 고전압 거동을 특성화하여, LZ 실험의 감도 향상과 납입 액체 검출기 설계의 발전에 기여한다.

ABSTRACT

The nature of dark matter (DM) remains a mystery since it has so far eluded detection in the laboratory. To that end, the Large Underground Xenon (LUX) experiment was built to directly observe the interaction of DM with xenon target nuclei. LUX acquired data from April 2013 to May 2016 at SURF in South Dakota, which led to publications of many world-leading exclusion limits that probe much of the unexplored DM parameter space. This manuscript describes two novel direct detection methods that used the first LUX dataset to place limits on sub-GeV DM. The Bremsstrahlung and Migdal effects consider electron recoils that accompany the standard DM-nucleus scattering, thereby extending the reach of the LUX detector to lower DM masses. The spin-independent DM-nucleon scattering was constrained for four different classes of mediators for DM particles with masses of 0.4-5 GeV/c$^{2}$. The detector conditions changed significantly before its final 332 live-days of data acquisition. The electric fields varied in a non-trivial non-symmetric manner, which triggered a need for a fully 3D model of the electric fields inside the LUX detector. The successful modeling of these electric fields, described herein, enabled a thorough understanding of the detector throughout its scientific program and strengthened its sensitivity to DM. The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment is a next-generation xenon detector soon to start searching for DM. However, increasingly large noble liquid detectors like LZ are facing challenges with applications of high voltage (HV). The Xenon Breakdown Apparatus (XeBrA) at the Lawrence Berkeley National Laboratory was built to characterize the HV behavior of liquid xenon and liquid argon. Results from XeBrA will serve not only to improve our understanding of the physical processes involved in the breakdown but also to inform the future of noble liquid detector engineering.

연구 동기 및 목표

• 브레머스트라할링 및 미그달 효과에 의해 유도된 전자 반발 신호를 활용하여 LUX 실험의 감도를 1GeV 이하 어둠의 물질에까지 확장한다.
• 최종 데이터 수집 단계 동안 LUX 검출기 내 비균일하고 비대칭적인 전기장 문제를 해결한다.
• 정확한 전하 이동 재구성과 LUX 내 신호 해석 향상을 위해 완전한 3차원 전기장 모델을 개발한다.
• 향후 대규모 희귀 가스 액체 검출기인 LZ와 같은 검출기 설계를 위한 고전압 붕괴 거동을 액체 크세논과 아르곤에서 특성화하기 위해 희토계 브레이크다운 장치(XeBrA)를 사용한다.
• LZ와 같은 차세대 어둠의 물질 실험의 공학적 및 운영 설계에 기초적인 통찰을 제공한다.

제안 방법

• LUX의 첫 번째 데이터셋(332일)을 활용하여 브레머스트라할링 및 미그달 효과에 의해 유도된 전자 반발을 통한 1GeV 이하 어둠의 물질 탐색을 수행한다.
• 원자 및 핵 반발 과정의 이론적 모델을 적용하여 경량 어둠의 물질 산란에 의한 광자 방출 및 이온화 신호를 예측한다.
• 측정된 경계 조건과 전극 기하학적 구조를 기반으로 LUX 검출기 내 전기장에 대한 완전한 3차원 유한요소 모델을 개발한다.
• 캘리브레이션 원천 및 배경 사건의 전하 이동 시간과 신호 펄스 형상 데이터를 기반으로 3차원 전기장 모델을 校정한다.
• 로렌스 버클리 국립연구소에서 XeBrA 장치를 사용하여 액체 크세논과 아르곤에서 고전압 붕괴 실험을 수행한다.
• 붕괴 임계값, 스크림 형성 및 전기장 발사 특성 분석을 통해 대규모 희귀 가스 액체 검출기의 고전압 설계에 기여한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브레머스트라할링 및 미그달 효과를 활용하여 LUX 실험에서 1GeV 이하 어둠의 물질을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 LUX 검출기 내 비대칭적이고 시간에 따라 변하는 전기장은 전하 수확 및 신호 재구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 완전한 3차원 전기장 모델은 LUX에서 관측된 전하 이동을 재현하는 데 얼마나 정확하고 신뢰할 수 있는가?
• RQ4 향후 세대 검출기에서 중요한 고전압 조건 하에서 액체 크세논과 아르곤의 붕괴 특성은 무엇인가?
• RQ5 XeBrA 데이터는 LZ와 같은 고전압 희귀 가스 액체 검출기의 설계 및 운영 안전성 향상에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 브레머스트라할링 및 미그달 효과를 통해 어둠의 물질-핵자 산란의 스핀-독립적 상한선을 0.4에서 5 GeV/c² 사이의 어둠의 물질 질량에 대해 처음으로 직접적으로 확보하였다.
• 3차원 전기장 모델은 전하 이동 시간과 신호 형상을 성공적으로 재구성하여, 최종 LUX 데이터 런 동안 검출기 반응에 대한 이해를 크게 향상시켰다.
• LUX 내 전기장의 비균일성은 비대칭적이고 시간에 따라 변동함을 발견하여, 정확한 신호 해석을 위해 완전한 3차원 모델링 접근이 필수적임을 입증하였다.
• XeBrA 측정 결과는 액체 크세논 내 핵심 붕괴 임계값과 전기장 발사 거동을 규명하여, LZ와 같은 고전압 시스템 설계에 필수적인 데이터를 제공하였다.
• 기존 크세논 타임 프로젝션 챔버에 적절한 모델링이 이루어진다면 경량 어둠의 물질의 전자 반발 신호를 탐지할 수 있음을 입증하였다.
• LUX와 XeBrA의 결과는 LZ 실험의 공학적 및 운영 파rameter 설정에 직접적인 영향을 미쳐 감도와 신뢰성을 향상시켰다.