[论文解读] A Strategy for Low-Mass Dark Matter Searches with Cryogenic Detectors in the SuperCDMS SNOLAB Facility

SuperCDMS Collaboration, M. F. Albakry+126 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文概述了SuperCDMS SNOLAB实验的战略升级计划，旨在利用低温锗探测器提升对低质量暗物质的探测灵敏度。通过利用SNOLAB的模块化塔架基础设施和低本底的CUTE测试设施，该策略支持原型探测器的迭代测试，并分阶段部署，以实现电子等效能量阈值低于100 eV，为2025财年和2030财年的未来资金申请做好准备。

ABSTRACT

The SuperCDMS Collaboration is currently building SuperCDMS SNOLAB, a dark matter search focused on nucleon-coupled dark matter in the 1-5 GeV/c$^2$ mass range. Looking to the future, the Collaboration has developed a set of experience-based upgrade scenarios, as well as novel directions, to extend the search for dark matter using the SuperCDMS technology in the SNOLAB facility. The experienced-based scenarios are forecasted to probe many square decades of unexplored dark matter parameter space below 5 GeV/c$^2$, covering over 6 decades in mass: 1-100 eV/c$^2$ for dark photons and axion-like particles, 1-100 MeV/c$^2$ for dark-photon-coupled light dark matter, and 0.05-5 GeV/c$^2$ for nucleon-coupled dark matter. They will reach the neutrino fog in the 0.5-5 GeV/c$^2$ mass range and test a variety of benchmark models and sharp targets. The novel directions involve greater departures from current SuperCDMS technology but promise even greater reach in the long run, and their development must begin now for them to be available in a timely fashion. The experienced-based upgrade scenarios rely mainly on dramatic improvements in detector performance based on demonstrated scaling laws and reasonable extrapolations of current performance. Importantly, these improvements in detector performance obviate significant reductions in background levels beyond current expectations for the SuperCDMS SNOLAB experiment. Given that the dominant limiting backgrounds for SuperCDMS SNOLAB are cosmogenically created radioisotopes in the detectors, likely amenable only to isotopic purification and an underground detector life-cycle from before crystal growth to detector testing, the potential cost and time savings are enormous and the necessary improvements much easier to prototype.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展且低本底的策略，以增强对电子等效能量低于100 eV的低质量暗物质粒子的探测灵敏度。
• 利用SNOLAB的模块化塔架基础设施，实现在不中断运行的情况下安装原型探测器和分阶段升级探测器阵列。
• 利用CUTE地下测试设施——背景水平低于7起事件/千克/keV/天——在全面部署前验证探测器性能。
• 将升级时间表与预期的美国资金周期对齐，包括2025财年和2030财年的潜在资金申请。
• 通过在正式项目阶段启动前实现足够的技术成熟度，确保项目具备竞争力，而无需一开始就进行完整的地下演示。

提出的方法

• 利用SuperCDMS SNOLAB的模块化塔架系统，实现新探测器组件的渐进式部署，最大限度减少对现有运行的干扰。
• 利用SNOLAB的CUTE地下低温测试设施，对原型探测器进行低本底测试，实现背景水平低于7起事件/千克/keV/天。
• 设计分阶段升级路径，与预期的资金周期保持一致，包括2025财年可能的资金申请和2030财年中期的机遇。
• 实施为期两年的技术研发阶段，随后是两年的项目开发阶段，其模式参考了以往DOE/NSF资金计划（如DMNI和第二代暗物质实验）的轨迹。
• 通过先进的低温探测器技术和低噪声读出系统，实现电子等效能量阈值低于100 eV。
• 整合地面和地下原型测试的反馈，以优化探测器设计和性能，为全面部署做好准备。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何制定最优的分阶段部署策略，使SuperCDMS SNOLAB能够实现对电子等效能量低于100 eV的低质量暗物质的探测灵敏度？
• RQ2 如何利用SNOLAB的CUTE测试设施在全面部署前验证探测器性能并降低本底水平？
• RQ3 SuperCDMS SNOLAB的升级规划应依据哪些资金时间表和资金申请窗口，以确保未来十年内的竞争力？
• RQ4 在不一开始就进行完整地下演示的前提下，通过低本底环境中的原型测试，探测器的成熟度能够达到何种程度？
• RQ5 SNOLAB的模块化塔架基础设施在实现探测器阵列的可扩展性和非中断升级方面发挥何种作用？

主要发现

• SNOLAB的CUTE设施提供了背景水平低于7起事件/千克/keV/天的低本底环境，支持对原型探测器的全面部署前测试。
• SuperCDMS SNOLAB的模块化塔架系统允许在不中断运行的情况下安装新探测器组件，支持迭代式升级和原型验证。
• 基于Snowmass 2021 P5时间表和以往资金模式，2025财年资金申请被视为新项目阶段的最早可行时机。
• 项目可在无需进行完整地下演示的情况下，实现足够的技术成熟度以提交提案，历史先例表明此类验证可在预CD-3阶段完成。
• 该策略与2030财年中期可能的资金申请保持一致，该申请将在审视暗物质理论景观和实验组合后启动。
• 升级计划设计为2年研发阶段加2年项目开发阶段，与以往DOE/NSF资金模式（如DMNI和第二代暗物质实验）一致，具备竞争力。