[论文解读] PandaX-xT: a Multi-ten-tonne Liquid Xenon Observatory at the China Jinping Underground Laboratory

PandaX Collaboration, Abdusalam Abdukerim+91 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2024

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 6

一句话总结

PandaX-xT 是一个在 CJPL 的提议中的多吨级液态Xenon观测站，活性靶材为 43-tonne，旨在将暗物质直接探测推进至中微子底线，探测 136Xe 的零近节对对称性双β衰变，以及在超低背景下研究低能中微子。

ABSTRACT

We propose a major upgrade to the existing PandaX-4T experiment in the China Jinping Underground Laboratory. The new experiment, PandaX-xT, will be a multi-ten-tonne liquid xenon, ultra-low background, and general-purpose observatory. The full-scaled PandaX-xT contains a 43-tonne liquid xenon active target. Such an experiment will significantly advance our fundamental understanding of particle physics and astrophysics. The sensitivity of dark matter direct detection will be improved by nearly two orders of magnitude compared to the current best limits, approaching the so-called "neutrino floor" for a dark matter mass above 10 GeV/$c^2$, providing a decisive test to the Weakly Interacting Massive Particle paradigm. By searching for the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe isotope in the detector, the effective Majorana neutrino mass can be measured to a [10 -- 41] meV/$c^2$ sensitivity, providing a key test to the Dirac/Majorana nature of neutrino s. Astrophysical neutrinos and other ultra-rare interactions can also be measured and searched for with an unprecedented background level, opening up new windows of discovery. Depending on the findings, PandaX-xT will seek the next stage upgrade utilizing isotopic separation on natural xenon.

研究动机与目标

• 将直接探测暗物质推进到接近中微子底线，针对质量在 >10 GeV/c^2 的 WIMP-核子相互作用。
• 通过在 136Xe 中搜索 neutrinoless 双β 衰变来测试中微子是迈拉那，并在倒序排列区域限制 m_beta_beta。
• 探测低能太阳与天体中微子，凭借史无前例的背景抑制，追求超稀有物理信号。

提出的方法

• 提出在 47-tonne 天然 xenon 配置中，使用双相 TPC 作为基线的 43-tonne 液态 xenon 活性靶材（并可能提供液相比例闪烁选项）。
• 实现低背景铜内壳与钛外壳，由 0.5 m 液体闪烁体威慑(IVETO)分隔，以实现超低背景。
• 部署超纯水幕(OVETO)，含两层光探测器阵列，以提供中子和宇宙线的拦截能力，并且可能添加水基液体闪烁体以增强中子标记能力（在当前设计约为 70%，经 LS 增强可>90%）。
• 使用高粒度光探测器（大约 8000 通道的 R12699 类设备）以实现 >10% 光子探测效率和快速定时，用于电子反应/中子反应分辨与位置重构。
• 结合 First-X 液态 xenon 处理以实现快速在液态 xenon 的充注/回收，以及先进的低温/冷却、提纯蒸馏，以及氡/ Kr/ 三氢控制，以达到 ultra-low internal radioactivity。
• 评估读出架构（500 MS/s 14-bit 数字化仪或带光纤链路的冷电子学）以管理大规模通道数和数据量（≈5 TB/day）。

实验结果

研究问题

• RQ1 PandaX-xT 在接近中微子底线时，对于质量 >10 GeV/c^2 的 DM-核子散射截面能探测到哪些？
• RQ2 136Xe NLDBD 的有效迈拉那质量 m_beta_beta 的可达敏感度是多少，它如何覆盖倒序排列参数空间？
• RQ3 背景抑制（Rn、85Kr、三重/外部放射性）在 100 eV 至 10 MeV 能量范围内的 Ultra-low 背景操作中能达到多高的抑制效果？
• RQ4 在所提出的 veto 与低温设计下，PandaX-xT 能探测到哪些天体物理中微子通量与超稀有过程？

主要发现

• 全尺度的 PandaX-xT 设想为 43 吨活性 LXe，相对于现有多吨探测器显著提升了 DM 与 NLDBD 的灵敏度。
• 投影的 DM 灵敏度接近质量在约 10 GeV/c^2 以上时的中微子底线，为 WIMP 范式提供决定性的测试。
• 在 136Xe 的 NLDBD 搜索中，可达到大约 10–41 meV/c^2 的有效迈拉那质量敏感度，覆盖大部分倒序参数空间。
• 背景抑制策略（IVETO、OVETO、LS v eto、冷凝蒸馏）旨在将内部放射性降至 MeV 量级 NLDBD 和亚 MeV DM 信号所需的 ultra-low 水平。
• 探测器整合了先进的 xenon 处理、蒸馏以及潜在的同位素分离升级，以进一步抑制背景并提升物理探测范围。