[论文解读] Deep-underground dark matter search with a COSINUS detector prototype

Stukel, Matthew|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

本论文首次在深地环境下实现了基于remoTES读出方案的NaI低温闪烁量热计的深度地下运行，实现了441 eV的核 recoil 能量分辨率。在11.6 g·d的曝光量下，将自旋无关的暗物质-核子散射截面上限设定在pb量级，由于实现了逐事件粒子鉴别，其灵敏度相比单通道探测器提高了高达100倍。

ABSTRACT

Parallel Talk presented at the XX International Workshop on Neutrino Telescopes - Venice 23-27 October 2023

研究动机与目标

• 验证基于NaI的低温闪烁量热计在深地环境下采用新型remoTES读出方案的性能表现。
• 测量双通道声子与光信号读出对核 recoil 与电子/γ射线事件的能量分辨率和粒子鉴别能力。
• 利用实验数据测定NaI晶体在低能区（10 keV）下钠和碘的淬灭因子。
• 仅使用11.6 g·d的曝光量，设定自旋无关的暗物质-核子弹性散射截面的具有竞争力的上限。
• 证明将原型装置扩展至最终COSINUS探测器构型的可行性，实现更高灵敏度和更低阈值。

提出的方法

• 探测器采用3.67 g的NaI晶体，结合基于硅的光探测器和用于声子读出的过渡边缘传感器（TESs），采用remoTES方案。
• 双通道读出使能够基于光信号与声子信号的比值，实现对电子/γ射线事件与核 recoil 事件的逐事件鉴别。
• 通过测量核 recoil 的能量分辨率，在声子通道中实现了441 eV（σ）的基线分辨率。
• 理论建模采用标准银河系晕模型，并使用Helm形式因子描述钠和碘原子核的结构。
• 应用Yellin的最优区间法计算自旋无关散射截面在90%置信水平下的上限。
• 对感兴趣区域（ROI）和接受区域的背景数据分别进行分析，以评估粒子鉴别性能对灵敏度的影响。

Figure 1: Top view of the detector module.

实验结果

研究问题

• RQ1 基于remoTES读出的NaI低温闪烁量热计是否能在深地环境中实现亚keV量级的能量分辨率？
• RQ2 与单通道探测器相比，逐事件粒子鉴别在多大程度上提升了对暗物质的探测灵敏度？
• RQ3 在NaI晶体中，10 keV能量下钠和碘的实验测得淬灭因子是多少？
• RQ4 仅使用11.6 g·d的曝光量，自旋无关的暗物质-核子散射截面的灵敏度上限能达到何种水平？
• RQ5 电子/γ射线背景的泄漏事件如何影响探测灵敏度？最终低本底COSINUS装置中预期有何改进？

主要发现

• 在声子通道中实现了441 eV（σ）的核 recoil 能量分辨率，相比以往基线提升了五倍。
• 测得的淬灭因子为QF_Na(10 keV) = 0.2002 ± 0.0093 和 QF_I(10 keV) = 0.0825 ± 0.0034，与理论预期一致。
• 在仅11.6 g·d曝光量下，自旋无关的暗物质-核子散射截面90%置信水平上限已达到pb量级。
• 基于接受区域事件（图5中的实线）的上限比基于所有ROI事件的上限严格多达两个数量级，充分体现了逐事件鉴别的强大能力。
• 该原型在11.6 g·d曝光量下的灵敏度仅比COSINE-100在6303.9 kg·d曝光量下的极限低三个数量级，凸显了双通道方法的高效性。
• 电子/γ射线带泄漏事件（主要来自55Fe校准源和冰箱本底）被识别为主要限制因素，预计在最终低本底COSINUS装置中将得到显著改善。

Figure 2: Cross-sectional view of the detector module.