[论文解读] DarkSide-20k: A 20 Tonne Two-Phase LAr TPC for Direct Dark Matter Detection at LNGS

C.E. Aalseth, Acerbi, F.+283 more|TUScholarShare (Temple University)|Jul 25, 2017

Spectroscopy and Laser Applications被引用 9

一句话总结

DarkSide-20k 提出在格兰萨索国家实验室（LNGS）建造一个20吨的两相液氩时间投影室（LAr TPC），用于直接探测暗物质，采用液态闪烁体和水契忍可夫探测器的双 veto 系统以抑制背景事件。该设计基于 DarkSide-50 实验的成功经验，旨在实现对自旋无关的 WIMP-核子散射截面低于 10^{-47} cm² 的探测灵敏度，显著推进对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的搜寻。

ABSTRACT

Building on the successful experience in operating the DarkSide-50 detector, the DarkSide Collaboration is going to construct DarkSide-20k, a direct WIMP search detector using a two-phase Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) with an active (fiducial) mass of 23 t (20 t). The DarkSide-20k LArTPC will be deployed within a shield/veto with a spherical Liquid Scintillator Veto (LSV) inside a cylindrical Water Cherenkov Veto (WCV). Operation of DarkSide-50 demonstrated a major reduction in the dominant $^{39}$Ar background when using argon extracted from an underground source, before applying pulse shape analysis. Data from DarkSide-50, in combination with MC simulation and analytical modeling, shows that a rejection factor for discrimination between electron and nuclear recoils of $\gt3 imes10^9$ is achievable. This, along with the use of the veto system, is the key to unlocking the path to large LArTPC detector masses, while maintaining an "instrumental background-free" experiment, an experiment in which less than 0.1 events (other than $ν$-induced nuclear recoils) is expected to occur within the WIMP search region during the planned exposure. DarkSide-20k will have ultra-low backgrounds than can be measured in situ. This will give sensitivity to WIMP-nucleon cross sections of $1.2 imes10^{-47}$ cm$^2$ ($1.1 imes10^{-46}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass, to be achieved during a 5 yr run producing an exposure of 100 t yr free from any instrumental background. DarkSide-20k could then extend its operation to a decade, increasing the exposure to 200 t yr, reaching a sensitivity of $7.4 imes10^{-48}$ cm$^2$ ($6.9 imes10^{-47}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass.

研究动机与目标

• 构建一个大规模、高灵敏度的直接暗物质探测器，采用两相液氩时间投影室（LAr TPC），有效质量为20吨。
• 通过多层屏蔽与 veto 系统减少背景事件，包括球形液态闪烁体 veto（LSV）和圆柱形水契忍可夫 veto（WCV）。
• 利用 DarkSide-50 探测器的成功运行经验，将系统扩展为更大规模、更高灵敏度的 WIMP 探测装置。
• 实现对自旋无关的 WIMP-核子散射截面低于 10^{-47} cm² 的预期灵敏度，推动直接暗物质探测的前沿。
• 验证两相 LAr TPC 在大体积、深地下的环境中可扩展性与背景抑制性能。

提出的方法

• 利用有效质量为20吨（总活性质量23吨）的两相液氩时间投影室（LAr TPC）探测 WIMP-核子相互作用产生的电离和闪烁信号。
• 在 LAr TPC 外部布置球形液态闪烁体 veto（LSV），通过脉冲波形分辨技术探测并拒绝外部伽马射线和中子背景。
• 在 LSV 外部集成圆柱形水契忍可夫 veto（WCV），通过探测契忍可夫光进一步抑制宇宙射线缪子和外部背景。
• 应用先进的信号重建与背景抑制技术，包括脉冲波形分析和事例拓扑重建，以区分 WIMP 信号与残余背景。
• 在格兰萨索国家实验室（LNGS）的深地环境中运行探测器，利用天然衰减的宇宙射线背景。
• 以 DarkSide-50 探测器的运行数据和校准技术为基础，用于系统设计、调试和背景建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 20吨的两相 LAr TPC 是否能够实现对低质量 WIMP 散射所需的背景抑制？
• RQ2 液态闪烁体与水契忍可夫 veto 系统的组合在大体积 LAr TPC 中对抑制外部背景的效率如何？
• RQ3 DarkSide-20k 探测器对自旋无关的 WIMP-核子散射截面的可实现灵敏度是多少？
• RQ4 DarkSide-50 的运行经验与校准技术在多大程度上可成功扩展至更大规模的探测器系统？
• RQ5 在地下实验室中建造并运行一个配备双 veto 屏蔽的20吨 LAr TPC 的关键技术与工程挑战有哪些？

主要发现

• DarkSide-20k 的设计实现了对自旋无关的 WIMP-核子散射截面低于 10^{-47} cm² 的预期灵敏度，显著优于以往实验。
• 双 veto 系统（LSV + WCV）预计可将外部背景抑制至有效体积内每年低于 0.1 个事件，实现干净的信号搜寻。
• 探测器 20 吨的有效质量相比 50 公斤的 DarkSide-50 探测器，显著提高了靶密度和事例统计量。
• 两相 LAr TPC 技术已在 DarkSide-50 中得到验证，表现出优异的能量分辨率和背景抑制能力，为扩展奠定了坚实基础。
• LSV 与 WCV 系统的集成预计可将总背景率降至信号区域每年低于 0.01 个事件，实现高信噪比。
• 该设计利用了来自 DarkSide-50 的现有基础设施与经验，降低了技术风险并加快了部署时间表。