[论文解读] LUX-ZEPLIN (LZ) Conceptual Design Report

The LZ Collaboration, D. S. Akerib+193 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 125

一句话总结

LUX-ZEPLIN（LZ）概念设计报告概述了一项下一代暗物质实验，利用10吨液态氙，在从几GeV/c²到数百TeV/c²的质量范围内实现对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）前所未有的灵敏度。该探测器设计用于部署在桑福德地下研究所，集成了先进的低温、闪烁和电荷读出系统，以最大限度减少本底并提高信号探测能力，预计到本世纪末其灵敏度将超越现有实验。

ABSTRACT

The design and performance of the LUX-ZEPLIN (LZ) detector is described as of March 2015 in this Conceptual Design Report. LZ is a second-generation dark-matter detector with the potential for unprecedented sensitivity to weakly interacting massive particles (WIMPs) of masses from a few GeV/c2 to hundreds of TeV/c2. With total liquid xenon mass of about 10 tonnes, LZ will be the most sensitive experiment for WIMPs in this mass region by the end of the decade. This report describes in detail the design of the LZ technical systems. Expected backgrounds are quantified and the performance of the experiment is presented. The LZ detector will be located at the Sanford Underground Research Facility in South Dakota. The organization of the LZ Project and a summary of the expected cost and current schedule are given.

研究动机与目标

• 设计第二代暗物质探测器，以在广泛的质量范围内提升对WIMPs的灵敏度。
• 在5–100 GeV/c²的WIMP质量区域实现本底水平低于每100天0.1个事件。
• 开发技术上可行、成本效益高且可扩展的设计，以部署于桑福德地下研究所。
• 为关键决策编号一（CD-1）评审流程提供全面的技术与科学基础。

提出的方法

• LZ探测器采用双相液态氙时间投影室（TPC）来探测粒子相互作用产生的电离和闪烁信号。
• 低温系统将液态氙维持在165 K，3.5米直径、4.5米高的圆柱形腔室置于不锈钢杜瓦瓶中。
• 闪烁光由探测器上下两端的222个3英寸光电倍增管（PMTs）探测，而电离电子则在100 V/cm的电场作用下漂移到气态氙电子捕获网格上。
• 多层主动与被动屏蔽系统，包括聚乙烯、铅和水箱，用于抑制外部本底。
• 先进的数据获取与触发系统实时处理信号，采用算法区分WIMP样事件与本底事件。
• 利用蒙特卡洛模拟和详细的本底建模，预测并量化来自放射性、宇宙射线和中微子的预期本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实现5–1000 GeV/c²质量范围内对WIMPs的最高可能灵敏度的最优探测器配置？
• RQ2 如何将目标WIMP质量窗口内的本底水平降至每100天低于0.1个事件？
• RQ3 哪些技术设计选择可确保10吨液态氙探测器的长期稳定性、可扩展性和成本效益？
• RQ4 屏蔽、信号甄别与事例重建的综合效应如何提升对稀有WIMP相互作用的探测能力？
• RQ5 LZ探测器的预期性能与现有及计划中的暗物质实验相比如何？

主要发现

• LZ探测器预计在5–100 GeV/c²的WIMP质量区域实现本底水平低于每100天0.1个事件，从而实现对自旋无关WIMP-核子截面低于10⁻⁴⁷ cm²的探测灵敏度。
• 该设计相比LUX实验灵敏度提升10倍，对100 GeV/c²的WIMPs，目标探测能力可达到WIMP-核子截面低于10⁻⁴⁸ cm²。
• 双相液态氙TPC设计实现了优异的位置与能量分辨率，具备粒子相互作用的三维重建能力。
• 多层屏蔽系统将外部本底减少超过10⁴，主动与被动屏蔽总质量为15吨。
• 探测器总液态氙质量约为10吨，为稀有相互作用事件提供了大靶标，显著提高了探测WIMP的概率。
• 该项目已按计划推进至CD-1审批阶段，详细的成本估算与风险评估支持其技术与财务可行性。