[论文解读] Direction-sensitive dark matter search with a low-background gaseous detector NEWAGE-0.3b''

Tomonori Ikeda, Kiseki Nakamura+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用 10

一句话总结

该论文首次利用配备低α射线发射率微像素室（LAµ-PIC）的低本底气态时间投影室（NEWAGE-0.3b"）开展了方向性暗物质搜索。实验在90%置信水平下对100 GeV/c² WIMP的自旋依赖型WIMP-质子截面设定了50 pb的上限，创下迄今最严格的定向约束。

ABSTRACT

NEWAGE is a direction-sensitive dark matter search using a low-pressure gaseous time projection chamber. A low alpha-ray emission rate micro pixel chamber had been developed in order to reduce background for dark matter search. We conducted the dark matter search at the Kamioka Observatory in 2018. The total live time was 107.6 days corresponding to an exposure of 1.1 kg${\cdot}$days. Two events remained in the energy region of 50-60 keV which was consistent with 2.5 events of the expected background. A directional analysis was carried out and no significant forward-backward asymmetry derived from the WIMP-nucleus elastic scatterings was found. Thus a 90% confidence level upper limit on Spin-Dependent WIMP-proton cross section of 50 pb for a WIMP mass of 100 GeV/c2 was derived. This limit is the most stringent yet obtained from direction-sensitive dark matter search experiments.

研究动机与目标

• 开发一种基于新型低α射线发射LAµ-PIC的低本底、方向敏感型暗物质探测器。
• 在神冈观测站开展改进背景抑制的方向性暗物质搜索。
• 通过方向分析设定自旋依赖型WIMP-质子截面的新上限。
• 验证高纯材料与先进追踪技术在降低表面和环境背景方面的有效性。

提出的方法

• 采用在76 Torr压力下充有CF4气体的低压气态微时间投影室（µTPC），以增强自旋依赖型WIMP-核子散射的探测能力。
• 采用新开发的LAµ-PIC，以环氧/聚酰亚胺表面替代玻璃布，将U/Th污染降低100倍。
• 集成气体电子倍增器（GEM）以实现稳定的信号放大，并采用TPC电场笼以维持均匀电场。
• 采用100 MHz FPGA读出系统，记录打点模式与时间超过阈值（TOT），实现三维轨迹重建。
• 使用波形数字化仪测量电荷信号的能量沉积，实现精确的能量标定。
• 通过核 recoil 角分布的前后向不对称性实施方向分析，以识别WIMP信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 低本底LAµ-PIC能否在方向性暗物质搜索中显著降低表面α射线背景？
• RQ2 在µTPC中对核 recoil 轨迹进行方向分析，是否能产生与WIMP-核子散射一致的可探测前后向不对称性？
• RQ3 采用高纯材料的低压气态TPC时，方向敏感型暗物质实验的最终灵敏度如何？
• RQ4 环境γ射线、中子以及残留氡气在50–60 keV能量窗口中对背景的贡献如何？
• RQ5 在负离子气体TPC中实施z坐标事例选区是否能进一步抑制表面背景？

主要发现

• NEWAGE-0.3b" 探测器在神冈观测站累计获得1.1 kg·天的总曝光量，累积运行时间为107.6天。
• 在50–60 keV能量窗口内仅观测到两个事例，与预期的2.5个本底事例一致。
• 未发现显著的前后向不对称性，表明无方向性WIMP信号的证据。
• 对质量为100 GeV/c²的WIMP，自旋依赖型WIMP-质子截面在90%置信水平下的上限为50 pb。
• 该上限相比此前最严格的定向约束提高了15倍，创下迄今最严格的定向暗物质限制。
• 背景主要来源于环境γ射线和中子，来自LAµ-PIC的残余表面α射线贡献小于1.2×10⁻¹个事例（在信号窗口内）。