[论文解读] Low-energy (0.7-74 keV) nuclear recoil calibration of the LUX dark matter experiment using D-D neutron scattering kinematics

LUX Collaboration, D. S. Akerib+105 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 54

一句话总结

本文首次使用准直的D-D中子束，在0.7–74 keVnr范围内对液态氙闪烁和电离产额进行了绝对标定。该标定使LUX实验对低质量WIMPs的灵敏度提高了7倍，将最低可探测WIMP质量从5.2 GeV/c²降低至3.3 GeV/c²，且在Lindhard与Bezrukov基Nest模型参数化下结果一致。

ABSTRACT

The Large Underground Xenon (LUX) experiment is a dual-phase liquid xenon time projection chamber (TPC) operating at the Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota. A calibration of nuclear recoils in liquid xenon was performed $ extit{in situ}$ in the LUX detector using a collimated beam of mono-energetic 2.45 MeV neutrons produced by a deuterium-deuterium (D-D) fusion source. The nuclear recoil energy from the first neutron scatter in the TPC was reconstructed using the measured scattering angle defined by double-scatter neutron events within the active xenon volume. We measured the absolute charge ($Q_{y}$) and light ($L_{y}$) yields at an average electric field of 180 V/cm for nuclear recoil energies spanning 0.7 to 74 keV and 1.1 to 74 keV, respectively. This calibration of the nuclear recoil signal yields will permit the further refinement of liquid xenon nuclear recoil signal models and, importantly for dark matter searches, clearly demonstrates measured ionization and scintillation signals in this medium at recoil energies down to $\mathcal{O}$(1 keV).

研究动机与目标

• 在低能区（0.7–74 keVnr）提供液态氙闪烁（Ly）和电离（Qy）产额的首次绝对标定。
• 通过在亚keV核反冲能量下实现精确的信号响应建模，提升LUX暗物质实验对低质量弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的灵敏度。
• 通过利用D-D中子源的实验数据，优化核反冲信号响应模型，降低WIMP的运动学可探测质量阈值。
• 利用同时测量的Ly、Qy和核反冲带数据，对液态氙时间投影室的NEST模型进行验证与更新。
• 利用新的低能标定，改进液态氙时间投影室中相干中微子-核子散射率的预测。

提出的方法

• 利用准直的D-D中子束在74 keVnr处产生单能核反冲，为标定提供运动学固定的终点。
• 在180 V/cm电场下测量液态氙中的光产额（Ly）和电荷产额（Qy），利用D-D中子散射运动学实现反冲能量的高精度确定。
• 应用Ly、Qy和核反冲带数据的联合约束，开发了两个新的NEST模型版本：一个基于Lindhard模型，另一个基于Bezrukov模型与Ziegler停止功率。
• 以每keVnr对应的光子数为绝对单位标定探测器响应，实现与其他实验的直接比较，并改善低能信号的建模。
• 利用测量的信号产额提取核反冲的电离与闪烁产额比，提升对核反冲与电子反冲的区分能力。
• 在两个数量级的反冲能量范围（1.1–74 keVnr）内验证了新标定的一致性，与文献结果相符。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.7至74 keVnr能量范围内，液态氙中核反冲的绝对光产额和电荷产额分别是多少？
• RQ2 液态氙中核反冲信号响应在亚keV能量区如何变化？其是否可被可靠地建模以用于低质量WIMP搜寻？
• RQ3 Lindhard与Bezrukov基NEST模型参数化在1.1–74 keVnr范围内与实测信号产额的符合程度如何？
• RQ4 新低能标定对LUX实验中探测WIMPs的运动学阈值有何影响？
• RQ5 改进的标定如何影响液态氙时间投影室中相干中微子-核子散射的预期事例率？

主要发现

• 本文报告了液态氙在核反冲下首次实现以每keVnr光子数为单位的绝对标定，覆盖0.7–74 keVnr能量范围。
• 实测的光产额与电荷产额与近期文献结果一致，验证了标定方法与探测器响应模型的可靠性。
• 在74 keVnr处的核反冲带标定提供了运动学固定的参考点，有效减少了单电离、多闪烁事件的污染。
• 新标定使LUX对质量为7 GeV/c²的WIMPs的灵敏度提高了7倍，显著增强了对低质量WIMP的探测能力。
• 由于改进了低能信号响应标定，最低可探测WIMP质量从5.2 GeV/c²降低至3.3 GeV/c²。
• 在完整的1.1–74 keVnr范围内，Lindhard基与Bezrukov基NEST模型参数化均与实测信号产额在实验不确定度内一致，证实了模型的鲁棒性。