[论文解读] After LUX: The LZ Program

D.C. Malling, D. S. Akerib+72 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 51

一句话总结

LZ计划提出采用液态氙时间投影室进行两阶段直接探测实验，以搜寻弱相互作用大质量粒子（WIMPs），首先使用1.5–3吨的探测器，随后使用20吨的探测器。关键结果是，LZD将实现对自旋无关的WIMP-核子截面的探测灵敏度为$3 \times 10^{-48}$ cm²（若仅存在一个本底事件，则灵敏度可达$5 \times 10^{-49}$ cm²），该灵敏度受限于不可消除的中微子相干散射本底。

ABSTRACT

The LZ program consists of two stages of direct dark matter searches using liquid Xe detectors. The first stage will be a 1.5-3 tonne detector, while the last stage will be a 20 tonne detector. Both devices will benefit tremendously from research and development performed for the LUX experiment, a 350 kg liquid Xe dark matter detector currently operating at the Sanford Underground Laboratory. In particular, the technology used for cryogenics and electrical feedthroughs, circulation and purification, low-background materials and shielding techniques, electronics, calibrations, and automated control and recovery systems are all directly scalable from LUX to the LZ detectors. Extensive searches for potential background sources have been performed, with an emphasis on previously undiscovered background sources that may have a significant impact on tonne-scale detectors. The LZ detectors will probe spin-independent interaction cross sections as low as 5E-49 cm2 for 100 GeV WIMPs, which represents the ultimate limit for dark matter detection with liquid xenon technology.

研究动机与目标

• 通过使用更大规模的液态氙探测器，将直接暗物质探测的灵敏度超越LUX实验。
• 识别并量化限制液态氙探测器最终灵敏度的关键不可消除本底，特别是中微子相干散射。
• 预测LZ计划在两个阶段的性能表现：1.5–3吨探测器（LZS）和20吨探测器（LZD）。
• 确定液态氙技术在直接WIMP搜寻中的物理与技术极限。
• 利用液态氙时间投影室确定自旋无关WIMP相互作用的最终灵敏度阈值。

提出的方法

• LZ计划采用两阶段的液态氙时间投影室（TPCs），目标质量逐步增加：1.5–3吨（LZS）和20吨（LZD）。
• 本底通过8B太阳中微子、大气中微子和弥漫超新星中微子的中微子相干散射进行建模，其能量谱与探测器能量分辨率卷积。
• 电子反冲本底由p-p和7Be太阳中微子，以及136Xe的双中微子双贝塔衰变建模，并应用99.5%的本底抑制因子。
• 由光电倍增管（PMTs）中(α,n)反应和238U裂变引起的中子本底，使用R11410 MOD PMTs进行估算。
• 探测性能通过50%的中子反冲接受度和0.3的keVr/keVee转换因子进行预测。
• 灵敏度极限基于曝光量（kg·天）、本底事件率和WIMP-核子截面假设进行计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 液态氙探测器对自旋无关的WIMP-核子散射的最终灵敏度极限是什么？
• RQ2 来自太阳、大气和弥漫超新星中微子的中微子相干散射本底如何影响低质量WIMPs的探测？
• RQ3 PMT放射性（238U、232Th）和(α,n)反应引起的本底在多大程度上限制了大规模液态氙探测器的性能？
• RQ4 LZD探测器能否实现对100 GeV WIMPs的灵敏度低于$10^{-48}$ cm²？需要何种本底条件？
• RQ5 与LUX和XENON100等现有实验相比，LZ计划的性能预测如何？

主要发现

• LZD探测器（20吨液态氙靶）在1.4×10^7 kg·天的曝光量下，假设存在10个中子反冲本底事件，预计可在90%置信水平下实现对100 GeV WIMPs的排除极限为$3 \times 10^{-48}$ cm²。
• 若仅存在一个中子反冲本底事件，灵敏度可进一步提升至$5 \times 10^{-49}$ cm²。
• LZS探测器（1.5–3吨）预计可实现$4 \times 10^{-47}$ cm²的灵敏度，优于LUX实验的极限一个数量级以上。
• 在1–50 keVr的WIMP搜寻窗口内，8B太阳中微子的中微子相干散射是主要的不可消除本底，限制了灵敏度的进一步提升。
• 来自太阳p-p和7Be中微子的电子反冲本底在200 keV以下超过PMT放射性本底，而136Xe的双中微子双贝塔衰变在60 keV以上贡献显著。
• 由于不可避免的中微子相干散射本底下限，LZD探测器代表了液态氙技术在直接WIMP探测中的物理与技术极限。