[论文解读] Precision Measurement of the Specific Activity of $^{39}$Ar in Atmospheric Argon with the DEAP-3600 Detector

Prabal Adhikari, Rahaf Ajaj+148 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 28被引用 4

一句话总结

本论文利用DEAP-3600液氩探测器，对大气氩中$^{39}$Ar的比活度进行了迄今为止最精确的测量。通过采用数据驱动的拟合方法分析单个$^{39}$Ar衰变事件和双堆积事件，研究报告得到的比活度为$0.964 \pm 0.001_{\text{stat}} \pm 0.024_{\text{sys}}$ Bq/kg$_{\text{atmAr}}$，显著提升了统计精度，并对切片效率、能量刻度和$^{85}$Kr污染等系统不确定度进行了优化。

ABSTRACT

The specific activity of the beta decay of $^{39}$Ar in atmospheric argon is measured using the DEAP-3600 detector. DEAP-3600, located 2 km underground at SNOLAB, uses a total of (3269 $\pm$ 24) kg of liquid argon distilled from the atmosphere to search for dark matter. This detector with very low background uses pulseshape discrimination to differentiate between nuclear recoils and electron recoils and is well-suited to measure the decay of $^{39}$Ar. With 167 live-days of data, the measured specific activity at the time of atmospheric extraction is [0.964 $\pm$ 0.001 (stat) $\pm$ 0.024 (sys)] Bq/kg$_{ m atmAr}$ which is consistent with results from other experiments. A cross-check analysis using different event selection criteria provides a consistent result.

研究动机与目标

• 使用DEAP-3600液氩探测器，以前所未有的精度测量大气氩中$^{39}$Ar的比活度。
• 通过改进切片效率估计、能量刻度校准和运行时间计算，降低$^{39}$Ar活度测量中的系统不确定度。
• 为基于稀有气体液体的暗物质实验提供关键的本底建模输入。
• 支持依赖$^{39}$Ar/Ar比值作为计时工具的放射性定年应用。
• 利用新数据、更新的氩质量及改进的分析技术，验证并更新先前的测量结果。

提出的方法

• 采用数据驱动的拟合程序，对通过筛选切片的单个$^{39}$Ar事件和双堆积事件进行分析，输入为实测谱和蒙特卡洛生成的谱。
• 在贝叶斯拟合中浮动ERB谱和双堆积谱的归一化参数，采用以1为中心的高斯先验，对应预期事件率和已知运行时间。
• 通过使用替代谱（包括Kostensalo等人谱）对拟合结果进行交叉验证，结果显示最终活度值差异可忽略。
• 通过改变关键参数（切片效率、能量刻度、能量分辨率以及氩中潜在的$^{85}$Kr污染）评估系统不确定度。
• 分析中纳入了更新的液氩质量、修订的运行时间，并对提取时大气氩的年龄进行了修正。
• 最终比活度由拟合中归一化参数的后验分布推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用DEAP-3600探测器，对大气氩中$^{39}$Ar比活度的最精确测量结果是什么？
• RQ2 更新后的切片效率估计和运行时间计算如何影响$^{39}$Ar活度测量的不确定度预算？
• RQ3 能量刻度、能量分辨率和$^{85}$Kr污染带来的系统不确定度在多大程度上限制了测量精度？
• RQ4 与WARP、ArDM及早期DEAP-3600分析的先前结果相比，新测量结果如何？
• RQ5 数据驱动的拟合方法能否可靠地从低本底、高统计量的数据集中提取$^{39}$Ar活度？

主要发现

• 大气氩中$^{39}$Ar的比活度测量结果为$0.964 \pm 0.001_{\text{stat}} \pm 0.024_{\text{sys}}$ Bq/kg$_{\text{atmAr}}$，为迄今最精确的测定结果。
• 统计不确定度主要由数据集的高统计量决定，而系统不确定度主要受事件选择切片效率、能量刻度和能量分辨率的影响。
• 氩靶中包含$^{85}$Kr对系统效应有微小但可测量的影响，该影响已得到仔细评估并予以校正。
• 该结果与WARP和ArDM的先前测量结果一致，且在更新后与早期DEAP-3600估计值无显著偏差。
• 数据驱动拟合方法在不同输入谱（包括Kostensalo等人谱）下均得到稳定且一致的结果。
• 更新后的分析纳入了修正后的氩年龄以及改进的氩质量和运行时间估计，显著提升了最终结果的可靠性。