[論文レビュー] The ANAIS Dark Matter Project: Status and Prospects

J. Amaré, S. Cebrián+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

ANAIS実験は、カンフランクス地下実験所に設置された100 kgの高純度NaI(Tl)シンチレーターを用いて、DAMA/LIBRAが報告した年間周期的変調信号の確認を目的としている。新規検出器における放射能純度の向上により、ANAIS–37は1 keVeeのエネルギー閾値を達成し、210Pbの汚染を0.7 mBq/kgまで低減した。保守的な仮定のもとで、DAMA信号を90%信頼水準で検出可能な感度を予想している。

ABSTRACT

The ANAIS (Annual modulation with NaI(Tl) Scintillators) experiment aims at the confirmation of the DAMA/LIBRA positive annual modulation signal using the same target and technique at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). A first step, named ANAIS-25 (two 12.5 kg NaI(Tl) modules) taking data from December 2012 to February 2015, provided interesting outcomes: very high light collection efficiency, that could allow to lower the analysis energy threshold down to the level of 1 keVee, and a good understanding of the different background components, in particular the cosmogenic activated isotopes in the crystal bulk and other radioactive contaminations of the NaI crystal/powder. But those prototypes clearly pointed to the need for improved crystal radiopurity, in particular for $^{210}$Pb contamination. Since then, improvements in the purification and growing procedures in order to reduce background in the very low energy region have been implemented and a new 12.5 kg module has been constructed and installed between the former two crystals, forming the ANAIS-37 setup. Very preliminary results of this setup evidence the improvement on radiopurity of the new crystal and are presented here. In addition, background simulations and prospects for the full experiment are discussed.

研究の動機と目的

• DAMA/LIBRAが報告した年間周期的変調信号を、モデルに依存しないアプローチで確認すること。
• 光物質候補への感度を高めるために、1 keVeeの低エネルギー閾値を達成すること。
• 結晶の純度向上と取り扱いの改善により、210Pbおよび40Kの背景寄与を低減すること。
• アクティブおよびパッシブ遮蔽を備えた100 kgのNaI(Tl)検出器アレイを構築し、背景を抑制すること。
• スピン非依存型暗黒物質散乱に対する高い感度を達成するための十分な放射能純度と光収率効率を示すこと。

提案手法

• 検出器性能と背景成分を特徴付けるために、ANAIS–25で2基の12.5 kgのNaI(Tl)結晶（D0およびD1）を用いる。
• 210Pb汚染を低減するため、より放射能純度の高い12.5 kgの新モジュール（D2）を導入し、純度向上と成長プロトコルの改善を実施する。
• 光集光効率を最大化するために、二重のフォトマルチプライヤーと石英窓を用い、光ガイドを不使用とする。
• 1 keVeeまでの低エネルギーキャリブレーションのために、ミラー膜を介した外部57Coおよび109Cd源を用いる。
• 背景を抑制するために、アクティブバイアスシステム（プラスチックシンチレーター）とパッシブ遮蔽（ lead、中性子減速材、アンチラドンボックス）を導入する。
• 既知の核種（40K、210Pb）とイベントタイミングに基づく背景モデルを適用し、信号とノイズを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ANAIS実験は、高い光収率効率を達成し、1 keVeeのエネルギー閾値を実現できるか？
• RQ2 改善された純度向上および成長プロトコルにより、NaI(Tl)結晶における210Pb汚染はどの程度低減できるか？
• RQ3 新規D2モジュールは、以前のプロトタイプと比較して低エネルギー背景が顕著に低減しているか？
• RQ4 保守的な背景仮定のもとで、100 kgの完全なANAISセットアップの年間周期的変調信号検出感度はどの程度か？
• RQ5 アクティブバイアスシステムと遮蔽を併用した3×3検出器マトリクスは、背景イベントを顕著に抑制できるか？

主な発見

• ANAIS–37セットアップは、16.3 ± 0.6 phe/keVの光収率効率を達成し、1 keVeeの潜在的エネルギー閾値を実現した。
• 新規D2モジュールにおける210Pb汚染は0.70 ± 0.1 mBq/kgまで低減され、以前のモジュールと比較して5倍の改善が得られた。
• 40K汚染は約1 mBq/kg（自然カリウムの約40 ppb）まで低減され、低背景レベルと整合的であった。
• D2モジュールは、D0およびD1と比較して低エネルギー背景が顕著に低減していることが、初期スペクトルから確認された。
• D2の背景モデルは現在開発中であり、20 keV以上では良好な一致が得られており、低エネルギー領域の残存不一致は調査中である。
• 100 kgの完全なANAISセットアップの予想感度は、保守的な仮定のもとで、DAMA/LIBRA信号を90%信頼水準で検出可能であり、多くの暗黒物質パラメータ空間でその範囲をカバーする。