[論文レビュー] Status of ArDM-1t: First observations from operation with a full ton-scale liquid argon target

ArDM Collaboration, Calvo, J.+24 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2015

Nuclear Physics and Applications参考文献 6被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、カンフランクス地下研究所で単相モードで動作する1トン級液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（TPC）ArDM-1tにおける初の物理学データ取得を報告している。パルス形状識別を用いた効果的なバックグラウンド抑制が実証され、初期データは測定値とシミュレーション結果の電子反跳スペクトルで良好な一致を示しており、将来のダブルフェーズ運用における感度向上を目的として、SiPMベースの光読み出しシステムへのアップグレード計画も提示している。

ABSTRACT

ArDM-1t is the first operating ton-scale liquid argon detector for direct search of Dark Matter particles. Developed at CERN as Recognized Experiment RE18, the experiment has been approved in 2010 to be installed in the Spanish underground site LSC (Laboratorio Subterraneo de Canfranc). Under the label of LSC EXP-08-2010 the ArDM detector underwent an intensive period of technical completion and safety approval until the recent filling of the target vessel with almost 2 ton of liquid argon. This report describes the experimental achievements during commissioning of ArDM and the transition into a stage of first physics data taking in single phase operational mode. We present preliminary observations from this run. A first indication for the background discrimination power of LAr detectors at the ton-scale is shown. We present an outlook for completing the detector with the electric drift field and upgrade of the scintillation light readout system with novel detector modules based on SiPMs in order to improve the light yield.

研究の動機と目的

• カンフランクス地下研究所における1トン級液体アルゴンTPC、ArDM-1tの初回運用フェーズを確立すること。
• 低バックグラウンド環境下における単相液体アルゴン検出器の性能を検証すること。
• パルス形状識別（PSD）技術を用いた液体アルゴン検出器のバックグラウンド抑制能力を評価すること。
• 将来のダブルフェーズ運用に向けたSiPMベースの光読み出しシステムの開発と試験を開始すること。
• 専用の検出器を用いてLSCのホールAにおける環境中性子線束を測定し、重要なバックグラウンド特徴付けを提供すること。

提案手法

• ArDM検出器は、3台のギフォード＝マクマホン冷温器と6.5本の高純度アルゴンガスボンベを用いて、約2トンの液体アルゴンで満たされた。
• 液体アルゴン体積は、容量性レベルセンサー（LE01）、ガス流量計、ボンベ圧力計を用いてリアルタイムでモニタリングされた。
• 検出器は単相モードで動作し、初期データセットでは39Arの崩壊が支配的バックグラウンドを占めた。
• スキャン光信号の時間的構造を用いて、パルス形状識別を適用し、電子反跳と核子反跳を区別した。
• プロトタイプのSiPMベース光読み出しシステムが設計・試験され、Geant4およびSpiceを用いたシミュレーションにより、信号収集と電子的性能の最適化が行われた。
• 中性子バックグラウンドは、液体シンチレーターおよび3He検出器を用いて216日間測定され、ホールAにおける環境中性子線束の評価に使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1トン級液体アルゴンTPCは、ダークマター検出に十分なバックグラウンド抑制を達成する単相モードで安定的かつ長期的に運用可能か？
• RQ2 パルス形状識別は、液体アルゴン検出器における電子反跳バックグラウンドをどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ3 カンフランクス地下研究所のホールAにおける環境中性子線束はどの程度か？また、これからのダークマター探索にどのような影響を及えるか？
• RQ4 SiPMベースの光読み出しシステムは、次世代液体アルゴンTPCに求められる光収集効率、ダークカウントレート、信号帯域幅を満たすことができるか？
• RQ5 測定された電子反跳スペクトルはモンテカルロシミュレーションとどの程度一致するか？また、これにより検出器キャリブレーションおよびバックグラウンドモデル化にどのような示唆が得られるか？

主な発見

• ArDM検出器は、ほぼ2トンの液体アルゴンを満たすことに成功し、単相モードでの初の物理学データ取得ラン（ArDMランI）の開始を記録した。
• 初期データから、電子反跳バンドの形状がArDMモンテカルロフレームワークで生成されたシミュレーションと整合しており、検出器応答モデルの妥当性が裏付けられた。
• 初期データセットの支配的バックグラウンドは39Arの崩壊に起因し、これはよく理解されており、高い精度で差し引くことができる。
• パルス形状識別は、電子反跳の効果的な抑制を示しており、1トン級液体アルゴン検出器が高効率なバックグラウンド拒否を達成できることを示している。
• 中性子バックグラウンド測定キャンペーンでは、10^9件を超えるイベントが記録され、216日間のライブタイムを達成し、ホールAにおける環境中性子線束の信頼性の高い推定値が得られた。
• 初代プロトタイプのSiPMベース光読み出しモジュールは、改善された光出力と性能を示しており、将来のTPCフィールドケージ設置に向けた最終設計の指針をシミュレーションが提供している。