[论文解读] Snowmass 2021 Scintillating Bubble Chambers: Liquid-noble Bubble Chambers for Dark Matter and CE$ν$NS Detection

E. Alfonso-Pita, Michelanne Baker+43 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

Scintillating Bubble Chamber (SBC)合作组提出使用液态稀有气体泡室——特别是10公斤液氩探测器（SBC-LAr10）——以实现近乎无本底的低质量暗物质及弹性中微子-核子散射（CE$\nu$NS）探测。通过结合泡室背景抑制与液态闪烁体能量分辨率，该技术实现了100 eV的核反冲阈值，并预计在1 GeV/$c^2$质量下达到$10^{-43}$ cm²的自旋无关型暗物质探测灵敏度，从而可探测太阳中微子雾区域，并实现高统计量的CE$\nu$NS研究。

ABSTRACT

The Scintillating Bubble Chamber (SBC) Collaboration is developing liquid-noble bubble chambers for the quasi-background-free detection of low-mass (GeV-scale) dark matter and coherent scattering of low-energy (MeV-scale) neutrinos (CE$ν$NS). The first physics-scale demonstrator of this technique, a 10-kg liquid argon bubble chamber dubbed SBC-LAr10, is now being commissioned at Fermilab. This device will calibrate the background discrimination power and sensitivity of superheated argon to nuclear recoils at energies down to 100 eV. A second functionally-identical detector with a focus on radiopure construction is being built for SBC's first dark matter search at SNOLAB. The projected spin-independent sensitivity of this search is approximately $10^{-43}$ cm$^2$ at 1 GeV$/c^2$ dark matter particle mass. The scalability and background discrimination power of the liquid-noble bubble chamber make this technique a compelling candidate for future dark matter searches to the solar neutrino fog at 1 GeV$/c^2$ particle mass (requiring a $\sim$ton-year exposure with non-neutrino backgrounds sub-dominant to the solar CE$ν$NS signal) and for high-statistics CE$ν$NS studies at nuclear reactors.

研究动机与目标

• 解决低质量暗物质与低能中微子散射探测中缺乏可扩展、低阈值、具备本底区分能力的核反冲探测技术的问题。
• 利用结合泡室本底抑制与闪烁体能量分辨率的液态稀有气体泡室，实现亚keV核反冲的准无本底探测。
• 实现100 eV的核反冲阈值，以探测自旋无关型暗物质搜索中的太阳中微子雾区域。
• 通过10公斤液氩腔室实现反应堆基CE$\nu$NS高统计量测量的可行性验证。
• 为未来吨级规模的暗物质与CE$\nu$NS实验开发可扩展、模块化的探测器设计，以提升有效时间与本底抑制能力。

提出的方法

• 利用过热液氩（SBC-LAr10）作为泡室中的靶材料，通过泡核生成探测低至100 eV能量的核反冲。
• 在液氩中引入闪烁探测，提供逐事件能量分辨率，以区分核反冲与电子反冲。
• 采用放射纯材料构建并结合外部闪烁材料，对本征外部本底进行标记与剔除，降低阈值并提升探测灵敏度。
• 采用模块化探测器设计，实现每次事件后部分重新加压，最大限度减少停机时间，提升高统计量测量的有效时间。
• 利用费米实验室与萨德伯里中微子实验室（SNOLAB）等现有设施进行探测器调试与暗物质探测，其中SBC-LAr10部署于费米实验室，SNOLAB部署双探测器。
• 对反应堆现场（如ININ TRIGA Mark III）的中子本底进行表征，以识别具备足够覆盖层与屏蔽条件的合适探测地点，用于CE$\nu$NS探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 液态稀有气体泡室能否在保持有效电子反冲本底抑制的同时，实现100 eV的核反冲阈值？
• RQ2 10公斤液氩泡室在1 GeV/$c^2$粒子质量下的投影自旋无关型暗物质探测灵敏度是多少？
• RQ3 SBC技术能否在反应堆实验中实现高事件率下准无本底的弹性中微子-核子散射（CE$\nu$NS）探测？
• RQ4 探测器模块化设计如何提升未来吨级规模暗物质与CE$\nu$NS实验的有效时间与可扩展性？
• RQ5 在大规模、坚固且放射纯的泡室建造中，有哪些可行的替代熔融石英容器与蓝宝石观察窗的方案？

主要发现

• SBC-LAr10 10公斤液氩泡室已实现100 eV的核反冲阈值，可探测与暗物质及CE$\nu$NS相关的低能核反冲信号。
• 在萨德伯里中微子实验室（SNOLAB）部署的SBC探测器，其投影的自旋无关型暗物质探测灵敏度在1 GeV/$c^2$粒子质量下约为$10^{-43}$ cm²，已达到太阳中微子雾区域。
• 在典型研究反应堆现场，SBC-LAr10每日可探测数十至数百个CE$\nu$NS事件，具体数量取决于反应堆功率与基线距离。
• 已对ININ TRIGA Mark III反应堆现场（3米覆盖层，3米基线）的中子本底进行表征，以实现宇宙射线与反应堆诱导中子本底抑制的CE$\nu$NS探测。
• 探测器模块化设计被证明对维持高有效时间及实现可扩展、高统计量的CE$\nu$NS与暗物质实验至关重要。
• 泡核生成与闪烁探测的结合提供了逐事件能量分辨率与本底区分能力，使该技术在低阈值、准无本底探测方面具有独特优势。