[论文解读] Low Background kTon-Scale Liquid Argon Time Projection Chambers

A. Avasthi, T. Bezerra+29 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出一种低本底、k吨级液氩时间投影室（LArTPC），作为深层地下中微子实验（DUNE）的第三或第四个工作模块，以增强对低能物理的探测灵敏度。通过集成增强屏蔽、超低放射性材料、氡气抑制，以及通过SiPM板和反射器提升光收集效率，该设计在1 MeV能量下实现亚2%的能量分辨率，并可开展新型物理研究，涵盖超新星和太阳中微子、无中微子双贝塔衰变，以及具有季节调制效应的WIMP暗物质探测。

ABSTRACT

We find that it is possible to increase sensitivity to low energy physics in a third or fourth DUNE-like module with careful controls over radiopurity and some modifications to a detector similar to the DUNE Far Detector design. In particular, sensitivity to supernova and solar neutrinos can be enhanced with improved MeV-scale reach. A neutrinoless double beta decay search with $^{136}$Xe loading appears feasible. Furthermore, sensitivity to Weakly-Interacting Massive Particle (WIMP) Dark Matter (DM) becomes competitive with the planned world program in such a detector, offering a unique seasonal variation detection that is characteristic for the nature of WIMPs.

研究动机与目标

• 通过增加一个第三或第四个工作模块（k吨级液氩TPC），扩展DUNE的物理探测范围，实现超低本底环境。
• 实现对低能中微子物理的精确测量，包括超新星和太阳中微子，超越主DUNE振荡实验计划。
• 通过探测器的大有效体积和低本底特性，利用季节调制效应，实现对WIMP暗物质的竞争力探测灵敏度。
• 通过加载136Xe，探索无中微子双贝塔衰变，使探测灵敏度超越当前吨级实验。
• 利用现有DUNE基础设施和地下设施，开发一个协同的、长期运行的操作平台。

提出的方法

• 采用40 cm水屏蔽，将外部中子本底降低10³倍。
• 开展密集的材料检测计划，选择放射性活度降低10³倍的建筑材料，超过当前暗物质实验标准。
• 使用地下氩气，与大气氩相比，可显著降低39Ar、42Ar和85Kr同位素本底。
• 通过主动净化和析出测量，将内部氡气水平降低10³倍。
• 通过在侧壁和阴极上使用≥10%的SiPM板覆盖，并在内壁和阳极平面上设置内部反射器，增强光收集效率。
• 结合TPC电荷信号与闪烁光信号，实现脉冲形状鉴别，并在1 MeV能量下实现约2%的能量分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过改进的DUNE TPC设计与增强的光收集技术，在1 MeV能量下实现k吨级LArTPC的亚2%能量分辨率？
• RQ2 通过屏蔽、材料检测和氡气控制实现的本底抑制，能在多大程度上实现超新星中微子探测的600 keV能量阈值？
• RQ3 136Xe加载的LArTPC能否实现对无中微子双贝塔衰变的竞争力探测灵敏度，超越当前吨级实验？
• RQ4 探测器的季节调制响应是否能为WIMP暗物质探测提供独特信号？
• RQ5 在低本底、大体积LArTPC中，奇异粒子（如奇异子）和带电微型黑洞的可探测性如何？

主要发现

• 通过结合TPC电荷信号与增强的闪烁光收集，探测器在1 MeV能量下实现约2%的能量分辨率。
• 通过水屏蔽、材料检测、氡气控制和地下氩气的综合手段，总本底降低10³倍或更多。
• 超新星中微子探测的能量阈值降低至600 keV，实现对大麦哲伦云中微子的完整灵敏度。
• 探测器可测量大气中微子的CEνNS相互作用，预计约10个事件，为暗物质本底模型提供交叉验证。
• 对CNO太阳中微子和Δm²₂₁的探测灵敏度得到提升，实现精确测量并约束非标准相互作用。
• 探测器可通过均匀电离与闪烁信号，探测并区分质量在10⁻⁵至10⁻⁴克之间、速度为250–1000 km/s的带电微型黑洞。