[論文レビュー] Low Background kTon-Scale Liquid Argon Time Projection Chambers

A. Avasthi, T. Bezerra+29 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、深地中ニュートリノ実験（DUNE）の第3または第4モジュールとして、低バックグラウンドでkTonスケールの液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）を提案し、低エネルギー物理学への感度を向上させる。遮蔽の強化、超低放射能材料の使用、ルビジウムの抑制、およびSiPMタイルと反射板による光収集の向上により、1 MeVで2%未満のエネルギー分解能を達成し、超新星および太陽ニュートリノ、無ニュートリノ双ベータ崩壊、WIMPダークマターの新物理探査が可能になる。特に季節変動を用いたWIMP検出感度も向上する。

ABSTRACT

We find that it is possible to increase sensitivity to low energy physics in a third or fourth DUNE-like module with careful controls over radiopurity and some modifications to a detector similar to the DUNE Far Detector design. In particular, sensitivity to supernova and solar neutrinos can be enhanced with improved MeV-scale reach. A neutrinoless double beta decay search with $^{136}$Xe loading appears feasible. Furthermore, sensitivity to Weakly-Interacting Massive Particle (WIMP) Dark Matter (DM) becomes competitive with the planned world program in such a detector, offering a unique seasonal variation detection that is characteristic for the nature of WIMPs.

研究の動機と目的

• DUNEの物理的探査範囲を、超低バックグラウンドを実現したkTonスケールの液体アルゴンTPCモジュールを第3または第4モジュールとして追加することで拡張すること。
• 主なDUNEニュートリノ振動計画を越えて、超新星および太陽ニュートリノを含む低エネルギーニュートリノ物理学における高精度測定を可能にすること。
• 大容量の有効体積と低バックグラウンドを活かし、季節変動を用いたWIMPダークマター検出に競争力のある感度を達成すること。
• 136Xeを添加することで、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の検出感度を、現在のトンスケール実験を上回る範囲にまで拡張すること。
• 既存のDUNEインfra構造および地下施設を活用した、協働的で長期的な運用プラットフォームの構築を図ること。

提案手法

• 外部中性子バックグラウンドを10³倍低減するため、40 cmの水被覆を実装する。
• 放射能を10³倍以上低減した構築材料を選定するため、材料の分析キャンペーンを徹底的に行う。これは現在のダークマター実験の基準を上回る。
• 大気中のアルゴンと比較して、地下で採取されたアルゴンを用いることで、39Ar、42Ar、85Krの核種バックグラウンドを最小限に抑える。
• 内部のルビジウムレベルを10³倍低減するため、能動的精製および発生測定を実施する。
• 壁およびカソードに10%以上のSiPMタイルを設置し、内壁およびアノードプレーンに反射板を設けることで、光収集を強化する。
• TPCの電荷信号とシンチレーション光を組み合わせ、パルス波形識別と1 MeVで約2%のエネルギー分解能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改良されたDUNE TPC設計と強化された光収集を用いて、1 MeVで2%未満のエネルギー分解能を達成できるkTonスケールのLArTPCは実現可能か？
• RQ2 遮蔽、材料分析、ルビジウム制御によるバックグラウンド抑制は、超新星ニュートリノ検出のエネルギー閾値をどの程度低減できるか？
• RQ3 136Xeを添加したLArTPCは、現在のトンスケール実験を上回る感度でニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を検出可能か？
• RQ4 季節変動応答が、WIMPダークマター検出の特徴的なシグナルを提供できるか？
• RQ5 低バックグラウンドで大容量のLArTPCでは、ストレンジレットや電荷を帯びたマイクロブラックホールといったレア粒子の検出可能性はどの程度か？

主な発見

• TPC電荷信号と強化されたシンチレーション光収集を組み合わせることで、1 MeVで約2%のエネルギー分解能を達成する。
• 水被覆、材料分析、ルビジウム制御、地下アルゴンの使用によるバックグラウンド抑制により、総合的なバックグラウンドが10³倍以上低減する。
• 超新星ニュートリノ検出のエネルギー閾値が600 keVまで低下し、マゼラン雲からのニュートリノへの完全な感度が得られる。
• 大気ニュートリノによるCEνNS反応を測定可能で、予想されるイベント数は約10個であり、ダークマターのバックグラウンドモデルの検証に役立つ。
• CNO太陽ニュートリノおよびΔm²₂₁の感度が向上し、高精度な測定と非標準的相互作用の制約が可能になる。
• 一様なイオン化とシンチレーション信号を用いて、質量が10⁻⁵〜10⁻⁴グラム、速度が250〜1000 km/sの電荷を帯びたマイクロブラックホールを検出・識別可能である。