[论文解读] Electron train backgrounds in liquid xenon dark matter search detectors are indeed due to thermalization and trapping

Peter Sørensen|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

该论文表明，液态氙暗物质探测器中的电子束背景源于液气界面处热化并被束缚的电子，其计算势垒高度为 $\phi_b = 0.34 \pm 0.01$ eV。该模型与实验数据实现定量一致，预测束缚电子的寿命为 $\mathcal{O}(10)$ ms，并提出通过高压切换或LED激发等策略抑制背景，以应对低质量暗物质及暗物质 sector 暗物质搜索。

ABSTRACT

Electron emission from liquid into gaseous xenon is a cornerstone of dark matter search detectors such as ZEPLIN, XENON, LUX and LZ. The probability of emission is a function of the applied electric field E, and electrons which fail to pass from the liquid into the gas have been previously hypothesized to become thermalized and trapped. This article shows, for the first time, quantitative agreement between an electron emission model and existing data. The model predicts that electrons in the liquid must surmount a typical potential barrier phi_b=0.34+-0.01 eV in order to escape into the gas. This value is a factor of about x2 smaller than has previously been calculated or inferred. Knowledge of phi_b allows calculation of the lifetime of thermalized, trapped electrons. The value is O(10) ms, which appears to be compatible with XENON10 observations of electron train backgrounds. As these backgrounds limit the sensitivity of dark sector dark matter searches, possible mitigations are discussed.

研究动机与目标

• 解决液态氙暗物质探测器中电子束背景起源长期存在的不确定性。
• 检验未发射电子在液气界面处热束缚后延迟发射的假设。
• 利用绝对实验数据量化电子发射效率和势垒高度 $\phi_b$。
• 根据势垒高度 $\phi_b$ 计算束缚电子的寿命，并评估其与XENON10观测结果的兼容性。
• 提出实用的抑制策略，以在未来的S2-only暗物质搜索中抑制电子束背景。

提出的方法

• 采用肖特基势垒模型拟合Gushchin等人（1982年）的绝对电子发射效率数据，以 $\phi_b$ 作为自由参数。
• 模型计算电子发射概率随外加电场 $E$ 的变化，其中 $\kappa$ 表示发射效率。
• 基于热激活理论，从势垒高度 $\phi_b$ 推导束缚电子的寿命，假设典型的能量分布和逃逸速率。
• 通过将预测的电子束产生率与XENON10观测数据对比，验证模型，结果表现出良好一致性。
• 利用理论建模评估抑制策略：在微秒时间尺度上进行高压切换以重新捕获束缚电子，以及使用940 nm光子进行LED激发以辅助电子发射。
• 提出一种基于探测器中单电子发射时间结构测量（$\lambda$）的离线背景抑制分析框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子从液态氙逃逸至气相必须克服的势垒真实值 $\phi_b$ 是多少？
• RQ2 电子束背景源于热激活发射的束缚电子这一假设是否与现有实验数据一致？
• RQ3 液态氙中热束缚电子的预测寿命是多少？是否与XENON10中观测到的时间尺度相符？
• RQ4 能否通过硬件或基于分析的抑制技术对电子束背景进行定量建模与抑制？
• RQ5 尽管存在此背景，未来的S2-only暗物质搜索在多大程度上仍具可行性？

主要发现

• 电子发射模型与绝对实验数据实现定量一致，得出势垒高度为 $\phi_b = 0.34 \pm 0.01$ eV，约为先前估计值的一半。
• 热束缚电子的计算寿命为 $\mathcal{O}(10)$ ms，与XENON10中观测到的电子束背景持续时间一致。
• 在 $E \approx 7$ kV/cm 时，发射效率 $\kappa$ 达到 $\sim 99.9\%$，表明若实现此类电场，电子束背景有望被抑制约50倍。
• 在微秒时间尺度上进行高压切换可重新捕获并再次发射束缚电子，提供一种基于硬件的抑制路径。
• 使用940 nm（每光子1.3 eV）的LED激发可协助束缚电子克服 $\phi_b$，且光电倍增管对这些光子可能不敏感，从而实现选择性激发。
• 即使硬件解决方案失效，通过探测器中单电子发射时间结构测量（$\lambda$）的离线分析，仍可实现背景抑制。