[论文解读] Enhancing the sensitivity of the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment to low energy signals

D. S. Akerib, A. K. Al Musalhi+185 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 8

一句话总结

该论文通过优化仅S2信号（S2-only）和扩散初生电子（DPE）分析技术，提升了LUX-ZEPLIN（LZ）暗物质实验对低能信号的灵敏度，使暗物质质量低至0.3 GeV/c²时的灵敏度提升达三个数量级，主要得益于更优的本底抑制以及对光电倍增管（PMT）响应和电子寿命的更好理解。

ABSTRACT

Two-phase xenon detectors, such as that at the core of the forthcoming LZ dark matter experiment, use photomultiplier tubes to sense the primary (S1) and secondary (S2) scintillation signals resulting from particle interactions in their liquid xenon target. This paper describes a simulation study exploring two techniques to lower the energy threshold of LZ to gain sensitivity to low-mass dark matter and astrophysical neutrinos, which will be applicable to other liquid xenon detectors. The energy threshold is determined by the number of detected S1 photons; typically, these must be recorded in three or more photomultiplier channels to avoid dark count coincidences that mimic real signals. To lower this threshold: a) we take advantage of the double photoelectron emission effect, whereby a single vacuum ultraviolet photon has a $\sim20\%$ probability of ejecting two photoelectrons from a photomultiplier tube photocathode; and b) we drop the requirement of an S1 signal altogether, and use only the ionization signal, which can be detected more efficiently. For both techniques we develop signal and background models for the nominal exposure, and explore accompanying systematic effects, including the dependence on the free electron lifetime in the liquid xenon. When incorporating double photoelectron signals, we predict a factor of $\sim 4$ sensitivity improvement to the dark matter-nucleon scattering cross-section at $2.5$ GeV/c$^2$, and a factor of $\sim1.6$ increase in the solar $^8$B neutrino detection rate. Dropping the S1 requirement may allow sensitivity gains of two orders of magnitude in both cases. Finally, we apply these techniques to even lower masses by taking into account the atomic Migdal effect; this could lower the dark matter particle mass threshold to $80$ MeV/c$^2$.

研究动机与目标

• 提升LUX-ZEPLIN（LZ）实验对低于1 GeV/c²的低质量暗物质信号的灵敏度。
• 解决低能本底抑制的挑战，特别是来自8 B中微子和网格事件的本底，以拓展实验对亚GeV量级暗物质质量的探测能力。
• 开发并验证新的分析技术——S2-only和DPE，利用信号形态和探测器响应特性，提升低阈值探测能力。
• 量化探测器参数（如电子寿命、PMT暗计数率和时间校准）对低能区灵敏度的影响。
• 通过建立稳健且可转移的分析框架，使未来双相氙实验能够将探测范围延伸至亚GeV量级暗物质。

提出的方法

• 实施仅S2信号分析，利用脉冲宽度信息排除网格本底，显著提升低质量区的灵敏度。
• 应用DPE（扩散初生电子）技术，通过优化S1窗口截断，分析仅S2事件以探测低能电离信号。
• 利用仅S2信号的计数率来调节DPE分析中的截断参数，依赖于校准良好的PMT响应模型和DPE概率，以最小化系统误差。
• 利用LZ的大有效体积，区分仅S2信号与体液氙事件，提升本底区分能力。
• 通过频繁校准和插值方法整合时间校准与电子寿命测量，以减少低阈值分析中的系统误差。
• 对仅S2信号的本底源进行建模与表征，这些本底是仅S2分析中系统误差的主要来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准联合分析相比，仅S2信号分析在多大程度上提升了LZ对低质量暗物质的灵敏度？
• RQ2 DPE技术如何提升亚GeV量级暗物质质量的灵敏度？其关键依赖于探测器响应和校准的哪些因素？
• RQ3 电子寿命不确定性与PMT暗计数率对LZ低阈值分析灵敏度有何影响？
• RQ4 8 B中微子相互作用如何影响低能阈值？其尾部是否可被利用以提升发现潜力？
• RQ5 精确的时间校准在实现仅S2信号分析中起什么作用，能否实现对S1窗口截断的最小依赖？

主要发现

• 与联合分析相比，仅S2信号分析在2.5 GeV/c²处使LZ的灵敏度提高了两个数量级，显著拓展了低质量探测范围。
• DPE与仅S2信号技术将暗物质质量阈值降低至80 MeV/c²，其中仅S2方法在可探测质量范围内实现了高达三个数量级的灵敏度提升。
• 仅S2信号分析通过利用脉冲宽度实现显著的本底抑制，有效减少了网格事件和电子寿命不确定性带来的灵敏度退化。
• 即使仅S2信号计数率存在两倍的不确定性，分析结果依然稳健，表明DPE技术是标准分析的直接扩展，仅带来适度的灵敏度增益。
• 准确测量并频繁校准电子寿命对保持灵敏度至关重要，尤其是在低阈值分析中。
• 若PMT暗计数率和时间校准足够精确，仅S2信号方法可完全依赖S1窗口截断，从而减少对依赖计数率的调优的依赖。