[論文レビュー] PandaX: A Liquid Xenon Dark Matter Experiment at CJPL

X. G. Cao, Xuanyao Chen+48 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

PandaXは中国の Jinping地下実験所で二相モードで稼働する液体キセノンダークマター実験であり、初期段階では120 kgの標的質量を有する。効率的な信号読み出しと低バックグラウンドレベルを含む、完全な検出器性能を達成し、安定した運用を実現した。これにより、直接的ダークマター検出および136Xe二重ベータ崩壊探索のための多トンスケールへの将来のアップグレードが可能になった。

ABSTRACT

PandaX is a large upgradable liquid-xenon detector system that can be used for both direct dark-matter detection and $^{136}$Xe double-beta decay search. It is located in the Jinping Deep-Underground Laboratory in Sichuan, China. The detector operates in dual-phase mode, allowing detection of both prompt scintillation, and ionization charge through proportional scintillation. The central time projection chamber will be staged, with the first stage accommodating a target mass of about 120\,kg. In stage II, the target mass will be increased to about 0.5\,ton. In the final stage, the detector can be upgraded to a multi-ton target mass. In this paper a detailed description of the stage-I detector design and performance results established during the commissioning phase is presented.

研究の動機と目的

• 深地中環境におけるスケーラブルで低バックグラウンドの液体キセノン検出器を構築すること。
• 低ラジオニクレオチド環境における二相キセノンタイムプロジェクションチェンバー（TPC）技術の実現可能性を示すこと。
• リアルタイムでの性能追跡とデータ整合性を確保するための堅牢なデータ取得およびオンラインモニタリングシステムを構築すること。
• ダークマター感度に不可欠な冷却・高電圧・純化システムの安定稼働を達成すること。
• 将来の多トンスケールへのアップグレードの基盤を築くこと。これにより、弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）および136Xe二重ベータ崩壊に対する感度を向上させること。

提案手法

• 粒子相互作用からの即時の蛍光（S1）および比例電離電荷（S2）信号を検出するため、二相キセノンタイムプロジェクションチェンバー（TPC）を用いる。
• 初期段階では120 kgの液体キセノン標的を採用し、段階的なアップグレードルートとして0.5トン、最終的には多トンスケールを想定する。
• 液体キセノンを約165 Kで液体状態に保つために、液体窒素で冷却するコールドフィンガーを備えた冷却システムを採用する。
• ジルコニウムベースのゲッターを用いたガス循環および純化システムを導入し、電気陰性不純物を低減し、電子ドリフトの抑制を防止する。
• S1およびS2信号収集のため、92個の2インチのハマムツ・R8500-MODフォトマルチプライヤー管（PMT）を採用。高いダイナミックレンジと低ダークノイズを実現。
• VMEベースのデータ取得システムを採用。高速FADCおよびMBLTプロトコルを用いた光ファイバー接続により、デッドタイムを最小限に抑え、リアルタイムでのオンラインモニタリングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な液体キセノンTPCは、深地中実験所で安定的かつ低バックグラウンドで稼働可能か？
• RQ2 S1およびS2信号のエネルギー分解能および電荷収集効率に関して、二相検出システムの性能はいかほどか？
• RQ3 データ取得およびオンラインモニタリングシステムは、高トリガレートでのリアルタイムデータ処理および品質管理をサポートできるか？
• RQ4 冷却・高電圧・ガス純化におけるシステムレベルの主な課題は何か。これらは長期間稼働のために是正可能か？
• RQ5 この検出器は、直接的ダークマター検出に必要なエネルギー閾値およびバックグラウンド抑制を達成しているか？

主な発見

• 冷却システムは、コンMISSIONING中、液体キセノン標的を約165 Kで安定的に維持し、沸騰損失を最小限に抑えた。
• ガス純化システムにより、電気陰性不純物が低減され、電子ドリフトの抑制が最小限に抑えられ、ドリフト長が約100 cmに達した。
• 高電圧システムは約20 kVで安定稼働し、TPC全域におけるS2信号の一貫性から、電場分布が均一であることが確認された。
• データ取得システムは最大60 MB/sのデータ転送レートを達成し、200 μsの読み出しウィンドウで約100 Hzのトリガーレートを実現した。
• FPGAを用いたベースライン抑制により、生データサイズが約8倍に圧縮され、信号歪みなしに効率的な保存および処理が可能になった。
• リアルタイムWebベースダッシュボードによるオンラインモニタリングにより、ヒットマップ、波形、トリガーレートの追跡が成功し、継続的なシステム健全性監視が可能になった。