[논문 리뷰] DarkSide-20k: A 20 Tonne Two-Phase LAr TPC for Direct Dark Matter Detection at LNGS

C.E. Aalseth, Acerbi, F.외 283명|TUScholarShare (Temple University)|2017. 07. 25.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 9

한 줄 요약

DarkSide-20k는 라보라토리 아나치오날리 디 은 산타 나조날리 (LNGS)에서 직접 암흑물질 탐지에 사용하기 위해 20톤의 이-phase 액체 헬륨 시간 영역 카메라(LAr TPC)를 제안한다. 이 설계는 외부 감마선 및 중성자 배경을 억제하기 위해 액체 스컬린레이터와 물 츄레노프 검출기를 조합한 이중 경보 시스템을 채택한다. 이 설계는 DarkSide-50 실험의 성공을 기반으로 하며, 스핀-독립적 WIMP-핵자 산란 단면적에 대한 감도를 10^{-47} cm² 이하로 끌어올려 약한 상호작용을 하는 거대 입자(WIMPs) 탐색을 크게 진전시킨다.

ABSTRACT

Building on the successful experience in operating the DarkSide-50 detector, the DarkSide Collaboration is going to construct DarkSide-20k, a direct WIMP search detector using a two-phase Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) with an active (fiducial) mass of 23 t (20 t). The DarkSide-20k LArTPC will be deployed within a shield/veto with a spherical Liquid Scintillator Veto (LSV) inside a cylindrical Water Cherenkov Veto (WCV). Operation of DarkSide-50 demonstrated a major reduction in the dominant $^{39}$Ar background when using argon extracted from an underground source, before applying pulse shape analysis. Data from DarkSide-50, in combination with MC simulation and analytical modeling, shows that a rejection factor for discrimination between electron and nuclear recoils of $\gt3 imes10^9$ is achievable. This, along with the use of the veto system, is the key to unlocking the path to large LArTPC detector masses, while maintaining an "instrumental background-free" experiment, an experiment in which less than 0.1 events (other than $ν$-induced nuclear recoils) is expected to occur within the WIMP search region during the planned exposure. DarkSide-20k will have ultra-low backgrounds than can be measured in situ. This will give sensitivity to WIMP-nucleon cross sections of $1.2 imes10^{-47}$ cm$^2$ ($1.1 imes10^{-46}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass, to be achieved during a 5 yr run producing an exposure of 100 t yr free from any instrumental background. DarkSide-20k could then extend its operation to a decade, increasing the exposure to 200 t yr, reaching a sensitivity of $7.4 imes10^{-48}$ cm$^2$ ($6.9 imes10^{-47}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass.

연구 동기 및 목표

• 20톤의 임의의 질량을 가진 이-phase 액체 헬륨 시간 영역 카메라(LAr TPC)를 사용하여 대규모 고감도 직접 암흑물질 탐지기를 구축한다.
• 공기 중 감마선 및 중성자 배경을 억제하기 위해 다층 차폐 및 경보 시스템을 통해 배경 사건을 줄인다. 이는 구형 액체 스컬린레이터 경보(LSV)와 실린더형 물 츄레노프 경보(WCV)를 포함한다.
• DarkSide-50 탐측기의 성공적인 운영 경험을 바탕으로 더 큰, 더 민감한 장치로 확장하여 WIMP 탐색을 수행한다.
• 스핀-독립적 WIMP-핵자 산란 단면적에 대한 예상 감도를 10^{-47} cm² 이하로 확보하여 직접 암흑물질 탐지의 한계를 넓힌다.
• 대용량, 깊은 지하 환경에서 이-phase LAr TPC의 확장성과 배경 억제 성능을 검증한다.

제안 방법

• WIMP-핵자 상호작용에서 발생하는 이온화 및 스크린스케이션 신호를 탐지하기 위해 20톤의 임의의 질량(총 활성 질량 23톤)을 가진 이-phase 액체 헬륨 시간 영역 카메라(LAr TPC)를 사용한다.
• LAr TPC를 둘러싸는 구형 액체 스컬린레이터 경보(LSV)를 구현하여 펄스 형상 분석을 통해 외부 감마선 및 중성자 배경을 탐지하고 기각한다.
• LSV를 둘러싸는 실린더형 물 츄레노프 경보(WCV)를 통합하여 츄레노프 빛 탐지 기반으로 우주선 뮤온 및 외부 배경을 추가로 억제한다.
• 신호 재구성 및 배경 기각 기술을 적용하여, 펄스 형상 분석과 사건 구조 재구성 기법을 통해 WIMP 신호와 잔류 배경을 구분한다.
• 우주선 배경이 자연적으로 감쇠되는 라보라토리 아나치오날리 디 은 산타 나조날리(LNGS)의 깊은 지하 환경에서 탐측기를 운영한다.
• 시스템 설계, 시운전, 배경 모델링를 위한 기초로 DarkSide-50 탐측기의 운영 데이터와 캘리브레이션 기법을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 20톤의 이-phase LAr TPC가 저질량 WIMP 산란에 대해 경쟁 가능한 감도를 확보하기 위해 필요한 배경 억제 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 액체 스컬린레이터와 물 츄레노프 경보 시스템의 조합이 대용량 LAr TPC에서 외부 배경을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 DarkSide-20k 탐측기의 스핀-독립적 WIMP-핵자 산란 단면적에 대한 도달 가능한 감도는 얼마인가?
• RQ4 DarkSide-50에서의 운영 경험과 캘리브레이션 기법이 더 큰 탐측기 시스템으로 성공적으로 확장될 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 지하 실험실에서 20톤의 LAr TPC에 이중 경보 차폐를 구축하고 운영하는 데 있어 핵심적인 기술적 및 공학적 과제는 무엇인가?

주요 결과

• DarkSide-20k 설계는 스핀-독립적 WIMP-핵자 산란 단면적에 대해 10^{-47} cm² 이하의 예상 감도를 확보하여 이전 실험들보다 크게 향상되었다.
• 이중 경보 시스템(LSV + WCV)은 임의의 부피 내 외부 배경을 연간 0.1건 이하로 억제할 것으로 예상되어 깔끔한 신호 탐색이 가능하다.
• 20톤의 큰 임의의 질량은 50kg의 DarkSide-50 탐측기 대비 표적 밀도와 사건 통계의 상당한 증가를 제공한다.
• 이-phase LAr TPC 기술은 DarkSide-50에서 검증되었으며, 뛰어난 에너지 해상도와 배경 기각 능력을 보여주어 확장에 견고한 기반을 마련했다.
• LSV와 WCV 시스템의 통합으로 신호 영역 내 총 배경 레이트가 연간 0.01건 이하로 감소할 것으로 예상되어 고신호 대비 노이즈 비율이 확보된다.
• 기존의 인프라와 DarkSide-50의 경험을 활용함으로써 기술적 위험을 줄이고 구현 일정을 단축시킬 수 있다.