[论文解读] First Dark Matter Search Results from the Large Underground Xenon (LUX) Experiment

C.H. Faham|arXiv (Cornell University)|May 22, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 10

一句话总结

LUX 实验在地下1.5公里深处使用370公斤液态氙进行了首次暗物质搜索，实现了在宽广质量范围内自旋无关的WIMP-核子散射截面的世界最严格限制。在85.3天有效数据和3.6±0.3 mDRU的背景率下，LUX 排除了DAMA、CoGeNT和CDMS-II Si暗示的低质量WIMP信号，其灵敏度在6 GeV/c²以上比XENON100高出20倍以上。

ABSTRACT

The Large Underground Xenon (LUX) dark matter experiment is operating 1.5 km underground at the Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota, USA. In 2013, the experiment had a WIMP search exposure of 10,091 kg-days over a period of 85.3 live-days. This first dark matter search placed the world's most stringent limits on WIMP-nucleon interaction cross-sections over a wide range of WIMP masses, and is in tension with signal hints of low-mass WIMPs from DAMA, CoGeNT and CDMS-II Si. LUX will commence a 300 day run in 2014 that will improve the sensitivity by a factor of 5. Low-energy calibrations obtained from a neutron double-scattering technique will further constrain and reduce systematics, particularly for low WIMP masses.

研究动机与目标

• 通过两相液态氙时间投影室中的核反冲探测弱相互作用大质量粒子（WIMPs）
• 利用低本底、高灵敏度探测器，实现对WIMP-核子散射截面最敏感的直接探测限制
• 通过设定严格的排除界限，解决DAMA、CoGeNT和CDMS-II Si中低质量WIMP信号的张力问题
• 使用氚化甲烷和中子源校准探测器的低能响应，以改善系统误差控制
• 通过降低本底和改进低能响应表征，为300天运行的更高灵敏度做好准备

提出的方法

• LUX 探测器在直径47厘米、高48厘米的圆柱形有效体积中使用370公斤液态氙，于地下1.5公里处运行，以抑制宇宙射线本底
• 核反冲产生的电离电子在电场作用下漂移到气相，产生次级闪烁光（S2），由122个低放射性光电倍增管（PMT）探测
• 探测器采用S1和S2信号阈值及空间重建方法定义事例体积，以减少PMT和器壁放射性带来的本底
• 低能校准使用氚化甲烷（β⁻源）进行电子反冲响应校准，以及AmBe/²⁵²Cf中子源进行核反冲响应校准，NEST模拟用于建模非弹性散射（NR）带
• 采用轮廓似然比（PLR）分析方法，对S1、S2、径向和深度分布进行分析，以检验背景仅假设与WIMP信号假设的差异
• 信号产额采用保守的3 keV_nr能量阈值，基于最低校准点；然而，后续来自DD中子发生器的新数据证实信号响应可低至0.7 keV_nr

实验结果

研究问题

• RQ1 在370公斤液态氙时间投影室中，可实现的自旋无关WIMP-核子散射截面的最严格限制是什么？
• RQ2 在LUX灵敏度提升的背景下，DAMA、CoGeNT和CDMS-II Si观测到的低质量WIMP信号是否仍然成立？
• RQ3 使用中子源和氚化甲烷对探测器核反冲低能响应的校准效果如何？
• RQ4 PMT响应、光收集效率和能量阈值等系统误差对低质量WIMP探测的影响有多大？
• RQ5 能否将事例体积内的本底率降低至3.6±0.3 mDRU的水平，从而实现迄今最灵敏的直接探测？

主要发现

• LUX在2–30 phe的S1能量范围内实现了3.6±0.3 mDRU的本底率，是迄今在液态氙时间投影室中测得的最低值
• 85.3天有效运行设定了自旋无关WIMP-核子散射截面的世界最严格限制，排除了DAMA、CoGeNT和CDMS-II Si所青睐的低质量WIMP区域
• 在6 GeV/c²以上，LUX对低质量WIMP的灵敏度比XENON100高出20倍以上
• PLR分析未能拒绝背景仅假设，p值为0.35，表明未观测到显著的WIMP信号
• 探测器的光子探测效率在中心事例处测得为14%，使其对6 GeV/c²以上的WIMP质量具有良好的探测灵敏度
• 使用DD中子发生器的低能校准证实，电离通道的信号响应可低至0.7 keV_nr，挑战了此前3 keV_nr的截止假设