[論文レビュー] Low-energy (0.7-74 keV) nuclear recoil calibration of the LUX dark matter experiment using D-D neutron scattering kinematics

LUX Collaboration, D. S. Akerib+105 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 54

ひとこと要約

本論文は、コリメートドD-D中性子ビームを用いて、0.7–74 keVnrのエネルギー範囲における液体キセノンのスチルレーションおよびイオン化出力の初の絶対校正を提示している。この校正により、LUXの低質量WIMPに対する感度が7倍向上し、運動的に到達可能なWIMP質量下限値が5.2から3.3 GeV/c²に低下した。両LindhardおよびBezrukovベースのNESTモデルパラメータ化において一貫した結果が得られた。

ABSTRACT

The Large Underground Xenon (LUX) experiment is a dual-phase liquid xenon time projection chamber (TPC) operating at the Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota. A calibration of nuclear recoils in liquid xenon was performed $ extit{in situ}$ in the LUX detector using a collimated beam of mono-energetic 2.45 MeV neutrons produced by a deuterium-deuterium (D-D) fusion source. The nuclear recoil energy from the first neutron scatter in the TPC was reconstructed using the measured scattering angle defined by double-scatter neutron events within the active xenon volume. We measured the absolute charge ($Q_{y}$) and light ($L_{y}$) yields at an average electric field of 180 V/cm for nuclear recoil energies spanning 0.7 to 74 keV and 1.1 to 74 keV, respectively. This calibration of the nuclear recoil signal yields will permit the further refinement of liquid xenon nuclear recoil signal models and, importantly for dark matter searches, clearly demonstrates measured ionization and scintillation signals in this medium at recoil energies down to $\mathcal{O}$(1 keV).

研究の動機と目的

• 0.7–74 keVnrの低エネルギー範囲における液体キセノンの核反発に対するスチルレーション出力（Ly）およびイオン化出力（Qy）の初の絶対校正を提供すること。
• 1 keV未満の核反発エネルギーにおける正確な信号応答モデル化を可能にすることで、LUXダークマター実験の低質量弱い相互作用を持つ巨大粒子（WIMPs）に対する感度を向上させること。
• D-D中性子源からの実験データを用いて核反発信号応答モデルを精緻化することで、運動的に到達可能なWIMP質量下限値を低減すること。
• 測定されたLy、Qyおよび核反発バンドデータの同時制約を用いて、液体キセノン時間投影型検出器のNESTモデルを検証および更新すること。
• 新しい低エネルギー校正を用いて、液体キセノンTPCにおける共鳴的ニュートリノ-核反応断面積の予測を改善すること。

提案手法

• 74 keVnrの単エネルギー核反発を生成するコリメートドD-D中性子ビームを用い、校正のための運動的に固定された終点を提供した。
• 180 V/cmの電界下で液体キセノンにおける光出力（Ly）および電荷出力（Qy）を測定し、D-D中性子の散乱力学を応用して、高い精度で反発エネルギーを特定した。
• Ly、Qyおよび核反発バンドデータの同時制約を用いて、Lindhardモデルに基づくバージョンと、Zieglerのストッピングパワーを用いたBezrukovベースのバージョンの2つの新しいNESTモデルを構築した。
• 絶対単位（光子/keVnr）での検出器応答校正を実施し、他の実験との直接比較および低エネルギー信号の高精度モデリングを可能にした。
• 測定された信号出力を用いて、核反発における電荷対スチルレーション比を抽出し、核反発と電子反発の識別を向上させた。
• 1.1–74 keVnrの2桁のエネルギー範囲にわたり、新校正の妥当性を検証し、文献結果と一貫性があることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.7～74 keVnrのエネルギー範囲における液体キセノンの核反発に対する絶対的光出力および電荷出力は何か？
• RQ2 液体キセノンにおける核反発信号応答は、1 keV未満のエネルギーでどのように変化するか。また、低質量WIMP探索に信頼性を持ってモデル化可能か？
• RQ3 LindhardおよびBezrukovベースのNESTモデルパラメータ化は、1.1～74 keVnrの範囲で測定された信号出力とどの程度一致するか？
• RQ4 新しい低エネルギー校正がLUX実験におけるWIMP検出の運動的閾値に及ぼす影響は何か？
• RQ5 向上した校正は、液体キセノンTPCにおける共鳴的ニュートリノ-核反応の予想イベントレートにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 本論文は、0.7–74 keVnrのエネルギー範囲をカバーする液体キセノンのスチルレーションおよびイオン化出力の初の絶対校正（光子/keVnr単位）を報告している。
• 測定された光出力および電荷出力は、最近の文献結果と整合しており、校正手法および検出器応答モデルの妥当性が裏付けられた。
• 74 keVnrでの核反発バンド校正は、運動的に固定された基準点を提供し、単一イオン化や複数スチルレーション事象による汚染を最小限に抑えた。
• 新校正により、7 GeV/c²のWIMPに対するLUXの感度が7倍向上し、低質量WIMP検出能力が顕著に向上した。
• 低エネルギー信号応答校正の向上により、運動的に到達可能なWIMP質量下限値が5.2から3.3 GeV/c²に低下した。
• LindhardベースおよびBezrukovベースのNESTモデルパラメータ化の両方が、全範囲（1.1–74 keVnr）において測定信号出力と実験的不確実性の範囲内で一致しており、モデルの堅牢性が確認された。