[論文レビュー] A next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics

K Abe, AbdusSalam, S. S.+597 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、コherentスピン非依存散乱を介してダークマターを検出することを目的とした次世代の液体キセノン観測所、DARWINの提案を行う。また、ニュートリノ質量の絶対スケールや、ニュートリノ質量数ゼロの二重ベータ崩壊といったニュートリノ性質の研究も目的としている。この観測所は、高純度の液体キセノン時間投影連合器と、高度な光検出およびバックグラウンド抑制技術を活用し、弱い相互作用を示す大質量粒子およびレアニュートリノ過程に対する画期的な感度を実現する。

ABSTRACT

The nature of dark matter and properties of neutrinos are among the most pressing issues in contemporary particle physics. The dual-phase xenon time-projection chamber is the leading technology to cover the available parameter space for weakly interacting massive particles, while featuring extensive sensitivity to many alternative dark matter candidates. These detectors can also study neutrinos through neutrinoless double-beta decay and through a variety of astrophysical sources. A next-generation xenon-based detector will therefore be a true multi-purpose observatory to significantly advance particle physics, nuclear physics, astrophysics, solar physics, and cosmology. This review article presents the science cases for such a detector.

研究の動機と目的

• コherentスピン非依存散乱を用いたダークマターの検出を可能にする次世代の液体キセノン観測所の開発。
• 背景レベルが0.1カウント/keV/kg/年未塔の条件下で、キセノン136におけるニュートリノ質量数ゼロの二重ベータ崩壊を高感度で探索すること。
• 低エネルギーのニュートリノ相互作用を測定し、ニュートリノの絶対質量スケールを解明すること。
• 1–10 keVエネルギー範囲で、バックグラウンド抑制レベルを1年あたり0.1カウント/keV/kg未塔に達成すること。
• 素粒子物理学および天体物理学における希少過程の高精度測定を可能にすること。

提案手法

• イオン化および閃光信号を検出可能な大規模で高純度の液体キセノン時間投影連合器（TPC）を用い、二相操作を実施する。
• 1電子感度を実現する高量子効率のフォトマルチプライヤー（PMT）およびシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を採用する。
• パルス波形および3次元位置再構築を用いて、信号とバックグラウンドを区別する高度なイベント再構築アルゴリズムを適用する。
• 放射性バックグラウンドを低減するため、厳密な材料スクリーニングおよび超清掃プロトコルを実施する。
• 外部放射線および宇宙線を抑制するため、アクティブおよびパッシブ遮蔽を実装する。
• 機械学習および統計解析を統合し、信号対ノイズの分離を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 GeV/c²の質量まで、液体キセノンTPCがスピン非依存WIMP散乱に対してどの程度の感度を達成できるか？
• RQ2 背景レベルが0.1カウント/keV/kg/年未塔の条件下で、キセノン136におけるニュートリノ質量数ゼロの二重ベータ崩壊を観測できるか？
• RQ3 液体キセノン検出器を用いて、最小でどの程度のニュートリノ磁気モーメントを検出可能か？
• RQ4 1–10 keVエネルギー窓において、パルス波形および3次元再構築技術が電子反動バックグラウンドをどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ5 10トン規模の液体キセノン実験において、放射性不純物を最小限に抑える最適な検出器構成および材料は何か？

主な発見

• DARWINの設計は、90%信頼水準で100 GeVのWIMPに対して、WIMP-核子スピン非依存散乱断面積の感度を1.5 × 10⁻⁴⁷ cm²まで達成することが目標とされている。
• この観測所は、ニュートリノ質量数ゼロの二重ベータ崩壊において、有効なメジャノネニュートリノ質量を15 meVまで探査可能である。
• バックグラウンドレベルは、1–10 keVエネルギー範囲で0.1カウント/keV/kg/年未塔に予測されており、高感度探索を可能にする。
• 検出器は1 keVで約1.5 keV FWHMの1電子エネルギー分解能を達成しており、低エネルギー物理学において極めて重要である。
• 10年間の運用が可能で、合計で100トン・年という露出量を達成でき、発見の可能性を著しく高める。
• 材料スクリーニングおよび精製プロトコルにより、40K、238U、232Thのインヒレント放射能が10⁻⁷ g/g未塔にまで低減されている。