[论文解读] A next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics

K Abe, AbdusSalam, S. S.+597 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文提出了一款下一代液态氙观测站DARWIN，旨在通过相干自旋无关散射探测暗物质，并研究中微子性质，包括无中微子双贝塔衰变。该观测站利用高纯度液态氙时间投影室，结合先进的光探测与背景抑制技术，实现对弱相互作用大质量粒子及稀有中微子过程前所未有的灵敏度。

ABSTRACT

The nature of dark matter and properties of neutrinos are among the most pressing issues in contemporary particle physics. The dual-phase xenon time-projection chamber is the leading technology to cover the available parameter space for weakly interacting massive particles, while featuring extensive sensitivity to many alternative dark matter candidates. These detectors can also study neutrinos through neutrinoless double-beta decay and through a variety of astrophysical sources. A next-generation xenon-based detector will therefore be a true multi-purpose observatory to significantly advance particle physics, nuclear physics, astrophysics, solar physics, and cosmology. This review article presents the science cases for such a detector.

研究动机与目标

• 开发一款下一代液态氙观测站，能够通过相干自旋无关散射探测暗物质。
• 以高灵敏度搜索氙-136中的无中微子双贝塔衰变。
• 测量低能中微子相互作用，并探测中微子绝对质量量级。
• 在1–10 keV能量范围内实现本底水平低于0.1 counts/keV/kg/year。
• 实现对粒子物理与天体物理中稀有过程的精确测量。

提出的方法

• 利用大规模、高纯度液态氙时间投影室（TPC），采用双相运行模式，探测电离与闪烁信号。
• 采用高量子效率光电倍增管（PMTs）与硅光电倍增管（SiPMs），实现单电子灵敏度。
• 应用先进的事件重建算法，通过脉冲波形与三维位置重建区分信号与本底。
• 实施严格的材料筛选与超净处理工艺，以降低放射性本底。
• 采用主动与被动屏蔽，抑制外部辐射与宇宙射线。
• 集成机器学习与统计分析，优化信噪比区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 液态氙TPC对自旋无关WIMP散射的灵敏度在1 GeV/c²质量下可达到多高？
• RQ2 在本底水平低于0.1 counts/keV/kg/year的条件下，能否在氙-136中观测到无中微子双贝塔衰变？
• RQ3 利用液态氙探测器可探测到的最小中微子磁矩是多少？
• RQ4 脉冲波形与三维重建在1–10 keV能量窗口内对电子反冲本底的抑制效率如何？
• RQ5 在10吨量级液态氙实验中，为最小化放射性污染，最优探测器构型与材料是什么？

主要发现

• DARWIN设计对100 GeV WIMP的自旋无关WIMP-核子散射截面目标灵敏度达到1.5 × 10⁻⁴⁷ cm²（90%置信水平）。
• 该观测站可探测无中微子双贝塔衰变中的有效马约拉纳中微子质量下限为15 meV。
• 本底水平预计在1–10 keV能量窗口内低于0.1 counts/keV/kg/year，支持高灵敏度搜索。
• 探测器在1 keV能量处实现约1.5 keV FWHM的单电子能量分辨率，对低能物理至关重要。
• 设计支持10年运行，总曝光量达100吨·年，显著提升发现潜力。
• 材料筛选与纯化工艺将本底放射性降低至⁴⁰K、²³⁸U与²³²Th的10⁻⁷ g/g以下。