[论文解读] Is DAMA Bathing in a Sea of Radioactive Argon?

D. N. McKinsey|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Ancient Egypt and Archaeology被引用 6

一句话总结

该论文提出，DAMA/LIBRA在2–6 keV能量范围内长期观测到的年周期调制信号，源于氮气净化气中放射性氩杂质产生的2.8 keV X射线，其机制可能为37Ar衰变（情景1）或氡导致铜外壳中40Ar电离（情景2）。该假说通过中子通量和氡浓度的季节性变化解释了调制现象，提供了一种可规避当前背景限制的、合理的仪器起源机制。

ABSTRACT

A hypothesis is proposed to explain the long-standing DAMA/LIBRA puzzle. Introduced into the DAMA/LIBRA shielding is a purge gas of nominally high-purity nitrogen, which under this hypothesis contains argon impurities. Argon is introduced into the nitrogen purge gas either through leaks in the purge gas plumbing, or through commercially-supplied bottled nitrogen, diffuses through materials in the detector housings, and then comes in direct contact with the DAMA/LIBRA detectors. These argon impurities can then lead to a modulating 2.8 keV background under two scenarios. Scenario 1): These impurities include the isotope 37Ar, which decays by electron capture, emitting a 2.8 keV x-ray. These decays appear as single-site, monoenergetic events in DAMA/LIBRA, and produce an annual modulation due to the variation of neutron flux in the atmosphere and at the Earth's surface, which in turn leads to a seasonal variation in 37Ar production from the reactions $^{40} extrm{Ca}( extrm{n,}α)^{37} extrm{Ar}$ and $^{36} extrm{Ar}( extrm{n,}γ)^{37} extrm{Ar}$. Scenario 2): Radon is also in the DAMA/LIBRA purge gas, modulating seasonally at a rate below the current DAMA/LIBRA limits. When radon or its short-lived daughters decay, the resulting beta, gamma, and bremsstrahlung radiation cause stable 40Ar to be ionized within the copper housings surrounding the NaI(Tl) detectors, resulting in characteristic 2.8 keV x-rays. Modulating backgrounds might also result from radon-induced neutron or gamma-ray flux from the surrounding cavern, leading to a small modulating background enhanced at low energy by the presence of 40Ar within the copper housings. These two scenarios are straightforward to test through assay of the purge gas as well as Monte Carlo and laboratory study of the DAMA/LIBRA copper housings when excited by ionizing radiation.

研究动机与目标

• 为DAMA/LIBRA观测到的年周期调制信号提供解释，该信号尽管在其他暗物质实验中获得大量阴性结果，仍未能得到解释。
• 研究氮气净化气中的氩杂质是否可能产生一个调制的2.8 keV X射线背景，其特征与暗物质信号相似。
• 检验假设：37Ar或氡诱导的铜外壳中40Ar电离可在2–6 keV能量窗口内产生季节性调制。
• 提供一种可实验验证的、无需引入新物理或奇异暗物质相互作用的可检验解释。
• 通过证明低能X射线可因能量传递至非活性材料而逃逸高能探测，从而与现有背景限制一致，调和观测到的调制与背景限制之间的矛盾。

提出的方法

• 测量DAMA/LIBRA净化气及其周围大气中氩和37Ar的含量，以检测其季节性变化。
• 通过蒙特卡洛模拟研究在β、γ或中子源照射下，含氩氮气中X射线的产生过程。
• 在实验室中对铜探测器外壳进行研究，测量氩的扩散速率及氡衰变产物电离40Ar时的X射线产额。
• 建立2.8 keV X射线在NaI(Tl)晶体中的能量沉积与探测效率模型，考虑单点事件特征。
• 将37Ar和氡诱导电离预测的调制幅度与DAMA在2–6 keV范围内观测到的0.0110 ± 0.0012 cpd/kg/keV信号进行比较。
• 评估多击事件的概率，以确保模型与DAMA观测到的多击事件中无调制（±0.0004 cpd/keV/kg）保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 37Ar在氮气净化气中氩杂质内的衰变是否能产生与DAMA/LIBRA观测一致的调制2.8 keV X射线信号？
• RQ2 大气中子通量的季节性变化是否会导致40Ca和36Ar上(n,γ)和(n,α)反应生成37Ar的产量产生可探测的调制？
• RQ3 净化气或周围环境中的氡是否能通过电离铜外壳中的40Ar产生2.8 keV X射线，且调制特征与观测信号一致？
• RQ4 观测到的2–6 keV调制是否与一种来自氩X射线的背景一致，且该背景因能量进入被动材料而逃逸高能探测？
• RQ5 该假说能否通过气体分析、材料测试及X射线产生与探测的蒙特卡洛模拟得到实验验证？

主要发现

• 该假说将2–6 keV的年周期调制解释为37Ar衰变产生的2.8 keV X射线所致，其调制由大气和土壤中中子通量的季节性变化驱动。
• 37Ar的生成速率因大气密度和积雪覆盖的季节性变化而发生调制，从而影响中子慢化，与观测到的9.3σ信号一致。
• 情景2（氡诱导铜外壳中40Ar电离）可产生与调制特征一致的2.8 keV X射线背景，其生成速率与DAMA信号兼容，尤其在氩扩散速率和电离效率被优化时。
• 观测到的调制幅度0.0110 ± 0.0012 cpd/kg/keV与来自氩X射线的背景率一致，该背景率占90 keV以上总事件率的25%或以上，处于当前背景限0.17–0.19 cpd/kg的范围内。
• 该模型与多击事件中无调制的观测结果一致，因为氩产生的2.8 keV X射线极不可能在多个NaI(Tl)探测器中沉积能量，其概率低于4%。
• 该假说或可解释为何在拟合3 keV峰时需要高于预期的40K污染（20 ppb vs. 13 ppb），因为恒定的氩X射线背景可能对基线产生贡献。