[論文レビュー] Search for low-mass dark matter with the DAMIC experiment

M. Settimo|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、10 GeV未満の電子・核反発に対して感度を示す超低ノイズ検出器として、厚さがあり完全にドーピングされたCCDを用いたDAMIC実験による低質量ダークマター探索を提示する。SNOLABに設置された40gの検出器と、モダンで開発中のスキッパー-CCDを用いた1kgのDAMIC-M検出器を用いて、電子未満のエネルギー分解能を達成し、ダークマター-電子散乱および隠れた光子吸収に対する厳密な制限を設定し、1GeV未塔のダークマター模型を顕著に制約する。

ABSTRACT

The DAMIC (Dark Matter in CCDs) experiment searches for the interactions of dark matter particles with the nuclei and the electrons in the silicon bulk of thick fully depleted charge-coupled devices (CCDs). Because of the low noise and low dark current, DAMIC CCDs are sensitive to the ionization signals expected from low-mass dark matter particles ($< 10$ GeV). A 40-gram target detector has collected data at the SNOLAB underground laboratory since 2017. Recent results from the searches for DM-electron scattering and hidden-photon absorption will be summarized and the status of WIMPs-nucleon search reported. A new detector -- DAMIC-M (DAMIC at Modane) -- with a mass-size of 1 kg and improved CCD readout is under design and will be installed at the underground laboratory of Modane, in France. The current status of DAMIC-M and the near future plans will be presented.

研究の動機と目的

• シリコンCCD内の電子および核と相互作用する低質量ダークマター粒子（0.6 MeVから6 MeVの間の質量を有するサブ-GeV WIMPsや隠れたセクター候補）を探索すること。
• 3次元イベント再構成を用いた背景同定により、シリコンベースの検出器におけるバックグラウンドレベルを低減すること。
• 次世代検出器DAMIC-Mを開発・導入し、スキッパー-CCD技術を用いて電子未満のエネルギー分解能を達成し、従来は到達不可能であったパラメータ空間を探索すること。
• シリコン-32および lead-210の内在的放射能を測定し、低エネルギー感度に与える影響を制限すること。
• エネルギー閾値が3 eV ee未満の将来的なダークマター検出に向けたスキッパー-CCDの性能をテスト・検証すること。

提案手法

• 15×15 μm²のピクセルと675 μmの厚さを持つ、完全にドーピングされた電荷カップルデバイス（CCD）を、ダークマター相互作用の標的およびセンサーとして使用する。
• スキッパー-CCDにおけるピクセル電荷の破壊的でない繰り返し読み出しを用いて、電子未満のエネルギー分解能（測定値0.07 e−）を達成する。
• イオン化電荷拡散の3次元再構成を用いて、相互作用の深さを特定し、表面イベントとバルクイベントを区別することで、バックグラウンドの排除を可能にする。
• アルファ、ベータ、ガンマ崩壊の空間的一致解析を用いて、CCDのバルクおよび表面におけるU/PbおよびThの汚染度を測定する。
• ラドンフリークリーンルームでの組立、低バックグラウンド材料（例：電気めっき銅）の使用、および宇宙線誘発活性化を低減するシールドを含むバックグラウンド低減戦略を実装する。
• モノエネルギービームX線およびγ線源、および宇宙線ミューオンを用いたキャリブレーションにより、電荷拡散パラメータとエネルギースケールを決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.6 MeVから6 MeVの間のダークマター質量におけるダークマター-電子散乱に対する制限は何か？
• RQ2 CCDのバルクおよび表面に存在するSi-32およびPb-210が、低質量ダークマター探索の感度に与える影響はどの程度か？
• RQ3 スキッパー-CCD技術は、エネルギー閾値をどの程度低くし、サブ-GeVダークマター粒子への感度をどの程度向上できるか？
• RQ4 隠れた光子吸収がバックグラウンドに与える寄与は何か。また、その影響をどのように制限できるか？
• RQ5 SNOLABに設置されたDAMICのバックグラウンドモデルは、モダンでのDAMIC-Mの設計および運用を指針づけるために外挿可能か？

主な発見

• DAMIC実験は、CCDバルクにおけるSi-32汚染を133.3 ± 27.8 μBq/kg、Pb-210を83.1 ± 11.8 nBq/cm²として測定し、以前のプロトタイプと比較して顕著に低減された。
• α-βおよび二重α一致の欠如に基づき、U-238およびTh-232崩壊系列はそれぞれ1kg/日あたり0.53未塔および0.35未塔未塔未満に制限された。
• DAMICは、0.6 MeVから6 MeVの間のダークマター質量におけるダークマター-電子散乱断面積に対して90%信頼水準の制限を設定し、パラメータ空間の広い領域を除外した。
• スキッパー-CCDのプロトタイプは、0.07 e−の単一電子分解能を達成し、低質量ダークマター検出における電子未満エネルギー分解能の実現可能性を示した。
• DAMIC-M検出器は、1 kgのシリコン標的と改善されたバックグラウンド抑制を備えており、エネルギー閾値2–3電子（約3 eV ee）を達成すると予想される。
• DAMIC-MのWIMPs-核子断面積に対する予想感度は、不可避なバックグラウンドレベルに達し、1 MeV/c²から1 GeV/c²の質量を有する媒介粒子を有する隠れたセクターの探索を可能にする。