[论文解读] Cosmogenic background simulations for the DARWIN observatory at different underground locations

Martín F. Adrover, L. Althueser+181 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究针对DARWIN液态氙时间投影室在四个候选地下实验室中宇宙射线背景的产生，开展了详细的蒙特卡罗模拟。采用基于MUSUN真实μ子能谱的定制Geant4框架，计算了137Xe和氚等关键核素的活化率，发现137Xe的产生产生率比以往估计低约8倍——在所有站点均低于8B中微子背景水平，因此需引入额外的选择标准以确定最终实验选址。

ABSTRACT

Xenon dual-phase time projections chambers (TPCs) have proven to be a successful technology in studying physical phenomena that require low-background conditions. With 40t of liquid xenon (LXe) in the TPC baseline design, DARWIN will have a high sensitivity for the detection of particle dark matter, neutrinoless double beta decay ($0 u\beta\beta$), and axion-like particles (ALPs). Although cosmic muons are a source of background that cannot be entirely eliminated, they may be greatly diminished by placing the detector deep underground. In this study, we used Monte Carlo simulations to model the cosmogenic background expected for the DARWIN observatory at four underground laboratories: Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), Sanford Underground Research Facility (SURF), Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) and SNOLAB. We determine the production rates of unstable xenon isotopes and tritium due to muon-included neutron fluxes and muon-induced spallation. These are expected to represent the dominant contributions to cosmogenic backgrounds and thus the most relevant for site selection.

研究动机与目标

• 评估不同地下位置下，液态氙中由μ子诱发反应产生的宇宙射线背景贡献。
• 评估岩石和混凝土屏蔽对137Xe、氚及其他核素活化的影响。
• 提供关键背景核素的更新、站点依赖的产生产生率，以支持DARWIN实验最终选址决策。
• 通过使用来自MUSUN的现实μ子能量-角度关联数据，提高背景预测的准确性。

提出的方法

• 开发了具备增强μ子追踪和屏蔽建模能力的定制DARWIN-Geant4模拟框架。
• 采用来自MUSUN软件包的真实能量-角度关联数据实现μ子生成器。
• 使用Shielding物理列表模拟岩石、混凝土和液态氙中μ子诱发的碎裂和中子俘获反应。
• 通过ShieldingLEND和QGSP BIC HP物理列表进行补充模拟，以估算系统性不确定度。
• 在模拟的9.3年有效时间范围内，追踪包括125Xe、127Xe、133Xe、135Xe、137Xe和氚在内的核素产生产生率。
• 通过比较不同物理列表的结果估算系统性误差，并将其应用于最终产生产生率估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同地下实验室中，DARWIN TPC内137Xe和氚的站点依赖的宇宙射线活化产生产生率是多少？
• RQ2 岩石和混凝土屏蔽的差异如何影响液态氙中μ子诱发背景的产生？
• RQ3 μ子诱发的碎裂和中子俘获反应在低能电子反冲区域背景中的贡献程度如何？
• RQ4 更新后的137Xe产生产生率与以往估计相比如何？其对0νββ衰变探测灵敏度有何影响？
• RQ5 除137Xe和氚外，哪些核素表现出不可忽略的宇宙射线活化，可能对WIMP或ALP搜索背景产生贡献？

主要发现

• 在Gran Sasso国家实验室（LNGS）的液态氙中，137Xe的产生产生率估计为(4.63±0.02±0.16sys)×10⁻² kg⁻¹yr⁻¹，显著低于以往估计值。
• 在所有四个站点中，137Xe的产生产生率均低于8B中微子散射的背景水平，表明其不再作为主要背景源。
• 氚的产生产生率估计为10⁻² kg⁻¹yr⁻¹，与以往值一致，对低能电子反冲搜索具有重要意义。
• 在所研究的氙同素中，127Xe的产生产生率最高，在LNGS处为(6.39±0.02±0.60sys)×10⁻² kg⁻¹yr⁻¹，提示其在背景建模中可能具有相关性。
• 起始于121Cs、135Sn和123Te的衰变链核素被识别为潜在的低能背景贡献者，值得进一步研究。
• 物理列表差异带来的系统性不确定度估计为大多数核素的~10–15%，其中QGSP BIC HP列表贡献最大。