[论文解读] Dark matter search in a Beam-Dump eXperiment (BDX) at Jefferson Lab: an update on PR12-16-001

M. Battaglieri, A. Bersani+124 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本文针对杰斐逊实验室BDX暗物质实验中的束流相关本底，利用FLUKA模拟验证了低概率粒子相互作用，并提出了一项寄生式测试测量——使用原型探测器BDX-Hodo在束流靶后方测量μ子通量。测试结果表明，束流诱导的μ子主导了背景，远超宇宙射线背景，从而验证了模拟工具与探测器技术在主BDX实验中的可靠性，且对Hall-A运行影响极小。

ABSTRACT

This document is an update to the proposal PR12-16-001 Dark matter search in a Beam-Dump eXperiment (BDX) at Jefferson Lab submitted to JLab-PAC44 in 2016 reporting progress in addressing questions raised regarding the beam-on backgrounds. The concerns are addressed by adopting a new simulation tool, FLUKA, and planning measurements of muon fluxes from the dump with its existing shielding around the dump. First, we have implemented the detailed BDX experimental geometry into a FLUKA simulation, in consultation with experts from the JLab Radiation Control Group. The FLUKA simulation has been compared directly to our GEANT4 simulations and shown to agree in regions of validity. The FLUKA interaction package, with a tuned set of biasing weights, is naturally able to generate reliable particle distributions with very small probabilities and therefore predict rates at the detector location beyond the planned shielding around the beam dump. Second, we have developed a plan to conduct measurements of the muon ux from the Hall-A dump in its current configuration to validate our simulations.

研究动机与目标

• 回应JLab-PAC44对BDX暗物质实验中束流相关本底估计的关切。
• 通过独立的模拟工具FLUKA，验证基于GEANT4的本底预测的可靠性。
• 展示所提出的BDX探测器技术在真实高本底环境中的可行性与灵敏度。
• 在全尺寸BDX部署前，通过原位测量束流诱导的μ子通量，校准并验证模拟模型。
• 确认宇宙射线与环境本底远低于束流诱导μ子，确保暗物质探测中误报率极低。

提出的方法

• 与杰斐逊实验室辐射控制组专家合作，将完整的BDX实验几何结构导入FLUKA模拟。
• 将FLUKA结果与先前的GEANT4模拟结果直接对比，确保在有效区域的一致性。
• 使用FLUKA的调校相互作用模块并结合偏置权重，可靠预测屏蔽层外罕见粒子产生率。
• 设计并构建一个原型探测器（BDX-Hodo），采用BDX ECal的CsI(Tl)晶体夹在两层塑料闪烁体之间，用于μ子探测。
• 钻设两个测试孔（分别位于束流靶下游25.2米和28米处），将BDX-Hodo探测器降至束流高度，实现原位测量。
• 在1–100 μA束流电流下开展寄生式束流时间测量，评估μ子通量的电流依赖性并验证模拟预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 FLUKA模拟能否准确预测BDX实验中束流相关本底率，特别是对低概率过程？
• RQ2 在Hall-A束流靶处，11 GeV电子束在与BDX探测器位置相关的距离上实际产生的μ子通量水平如何？
• RQ3 在所提议的BDX地下设施中，束流诱导的μ子与宇宙射线μ子及中子本底相比如何？
• RQ4 BDX-Hodo原型探测器能否在真实屏蔽环境中可靠测量束流诱导的μ子，且受环境本底干扰极小？
• RQ5 该测试测量在多大程度上可与Hall-A物理计划并行进行，从而最小化对现有运行的干扰？

主要发现

• FLUKA模拟结果与GEANT4在重叠有效区域中表现出良好一致性，证实了两种模拟工具在本底估计中的可靠性。
• 在束流靶下游25.2米处，10 μA束流下预期束流诱导μ子通量约为3.7 kHz，确认了显著的束流相关本底水平。
• 在28米处，μ子通量估计为约0.5 kHz，表明屏蔽层有效降低了本底率。
• 宇宙射线μ子率可忽略不计（0.56 Hz），且不会干扰束流诱导信号的探测，所有宇宙射线与环境本底均低于1 Hz。
• 采用CsI(Tl)晶体与闪烁体层的BDX-Hodo探测器，预计可在高本底环境中有效运行，验证了其在主实验中的适用性。
• 该测试测量可寄生式地在Hall-A运行期间进行，仅需约4个日历天的束流时间，且可设置多种电流以验证通量标定关系。