[논문 리뷰] The ANAIS Dark Matter Project: Status and Prospects

J. Amaré, S. Cebrián외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 06.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

ANAIS 실험은 캔프랑크 지하 실험소에 위치한 100kg의 고순도 NaI(Tl)闪烁체를 사용하여 DAMA/LIBRA의 연간 조절 신호를 확인하는 것을 목표로 한다. 새로운 검출기에서 향상된 방사능 순도를 적용함으로써 ANAIS–37는 1 keVee 에너지 임계값을 확보하고 210Pb 오염도를 0.7 mBq/kg로 감소시켰으며, 보수적인 가정 하에 90% 신뢰수준에서 DAMA 신호를 탐지할 수 있는 감도를 예측한다.

ABSTRACT

The ANAIS (Annual modulation with NaI(Tl) Scintillators) experiment aims at the confirmation of the DAMA/LIBRA positive annual modulation signal using the same target and technique at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). A first step, named ANAIS-25 (two 12.5 kg NaI(Tl) modules) taking data from December 2012 to February 2015, provided interesting outcomes: very high light collection efficiency, that could allow to lower the analysis energy threshold down to the level of 1 keVee, and a good understanding of the different background components, in particular the cosmogenic activated isotopes in the crystal bulk and other radioactive contaminations of the NaI crystal/powder. But those prototypes clearly pointed to the need for improved crystal radiopurity, in particular for $^{210}$Pb contamination. Since then, improvements in the purification and growing procedures in order to reduce background in the very low energy region have been implemented and a new 12.5 kg module has been constructed and installed between the former two crystals, forming the ANAIS-37 setup. Very preliminary results of this setup evidence the improvement on radiopurity of the new crystal and are presented here. In addition, background simulations and prospects for the full experiment are discussed.

연구 동기 및 목표

• DAMA/LIBRA가 보고한 연간 조절 신호를 모델에 의존하지 않는 방법으로 확인하기 위해.
• 가벼운 암흑물질 후보자에 대한 민감도를 향상시키기 위해 1 keVee의 낮은 에너지 임계값을 확보하기 위해.
• NaI(Tl) 결정의 정제 및 취급을 향상시켜 210Pb와 40K와 같은 배경 기여를 줄이기 위해.
• 활성 및 수동 차폐를 갖춘 100kg의 NaI(Tl) 검출기 어레이를 구축하여 배경을 억제하기 위해.
• 스핀-독립적 암흑물질 산란에 대한 높은 민감도를 확보하기 위해 충분한 방사능 순도와 빛 수집 효율성을 입증하기 위해.

제안 방법

• ANAIS–25에서 두 개의 12.5kg NaI(Tl) 결정(D0 및 D1)를 사용하여 검출기 성능과 배경 성분을 특성화하기 위해.
• 더 높은 방사능 순도를 갖춘 새로운 12.5kg 모듈(D2)을 설치하여 정제 및 재결정 프로토콜을 개선함으로써 210Pb 오염도를 감소시키기 위해.
• 빛 수집 효율을 극대화하기 위해 퀘이즈 창문과 빛 가이드를 사용하지 않은 이중 광전자 배율관을 사용하기 위해.
• 1 keVee까지의 저에너지 캘리브레이션을 위해 마일러 창문을 통해 외부 57Co 및 109Cd 원천을 사용하기 위해.
• 배경 억제를 위해 활성 보호 시스템(플라스틱闪烁체)과 수동 차폐(铅, 중성자 감쇠재, 반라돈 상자)를 구현하기 위해.
• 기타 알려진 우주핵종(40K, 210Pb)과 사건 시간 정보를 기반으로 배경 모델링을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ANAIS 실험은 고밀도 빛 수집 효율을 갖추고 1 keVee 에너지 임계값을 달성할 수 있는가?
• RQ2 향상된 정제 및 재결정 프로토콜을 통해 NaI(Tl) 결정에서 210Pb 오염도를 어느 정도까지 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 새로운 D2 모듈은 이전 프로토타입에 비해 저에너지 배경에서 명백한 감소를 보여주는가?
• RQ4 보수적인 배경 가정 하에 전체 100kg ANAIS 시스템의 연간 조절 신호 탐지 감도는 어떻게 되는가?
• RQ5 활성 보호 시스템과 반대위치에 놓인 3×3 검출기 매트릭스는 배경 사건을 상당히 억제하는가?

주요 결과

• ANAIS–37 시스템은 16.3 ± 0.6 phe/keV의 빛 수집 효율을 확보하여 잠재적인 에너지 임계값 1 keVee를 달성하였다.
• 새로운 D2 모듈에서 210Pb 오염도는 0.70 ± 0.1 mBq/kg로 감소되었으며, 이는 이전 모듈 대비 5배 향상된 결과이다.
• 40K 오염도는 약 1 mBq/kg(약 40 ppb 자연 칼륨)로 감소하여 낮은 배경 수준과 일치한다.
• D2 모듈은 예비 스펙트럼을 통해 D0 및 D1에 비해 저에너지 배경에서 명백한 감소를 보여주었다.
• D2에 대한 배경 모델링은 현재 개발 중이며, 20 keV 이상에서는 양호한 일치를 보이고 있으며, 저에너지 잔여 불일치는 현재 조사 중이다.
• 전체 100kg ANAIS 시스템의 예측 감도는 보수적인 가정 하에 다수의 선호되는 암흑물질 매개변수 영역에서 DAMA/LIBRA 신호를 90% 신뢰수준에서 탐지할 수 있을 것으로 예측된다.