[论文解读] Projected WIMP sensitivity of the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment

D. S. Akerib, Akerlof, C. W.+176 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Feb 16, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 32

一句话总结

该论文基于5.6吨有效质量、1,000天有效时间，预测了LUX-ZEPLIN（LZ）实验对自旋无关（SI）和自旋依赖（SD）弱相互作用大质量粒子（WIMP）散射的灵敏度。凭借极低本底水平以及通过外探测器和氙气表面 veto 系统实现的主动本底抑制，LZ在90%置信水平下对40 GeV/c²处的SI WIMP-核子散射截面的排除极限达到1.4×10⁻⁴⁸ cm²，相比以往实验提升了一个多数量级以上。

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) is a next generation dark matter direct detection experiment that will operate 4850 feet underground at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota, USA. Using a two-phase xenon detector with an active mass of 7~tonnes, LZ will search primarily for low-energy interactions with Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), which are hypothesized to make up the dark matter in our galactic halo. In this paper, the projected WIMP sensitivity of LZ is presented based on the latest background estimates and simulations of the detector. For a 1000~live day run using a 5.6~tonne fiducial mass, LZ is projected to exclude at 90\% confidence level spin-independent WIMP-nucleon cross sections above $1.4 imes 10^{-48}$~cm$^{2}$ for a 40~$\mathrm{GeV}/c^{2}$ mass WIMP. Additionally, a $5σ$ discovery potential is projected reaching cross sections below the exclusion limits of recent experiments. For spin-dependent WIMP-neutron(-proton) scattering, a sensitivity of $2.3 imes 10^{-43}$~cm$^{2}$ ($7.1 imes 10^{-42}$~cm$^{2}$) for a 40~$\mathrm{GeV}/c^{2}$ mass WIMP is expected. With underground installation well underway, LZ is on track for commissioning at SURF in 2020.

研究动机与目标

• 预测LUX-ZEPLIN（LZ）暗物质实验通过直接探测对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的灵敏度。
• 评估超低放射性、主动本底抑制以及有效质量对WIMP探测灵敏度的影响。
• 量化自旋无关和自旋依赖WIMP-核子散射截面的发现潜力与排除极限。
• 确立实验设计在探测WIMP参数空间中此前未探索区域方面的能力。

提出的方法

• 灵敏度预测基于从LZ采购材料中获得的详细探测器响应模型，包括其放射纯度和能量分辨率特性。
• 综合本底模型基于材料筛选活动的结果，用于估算本征本底和环境本底。
• 外探测器和主动氙气表面 veto 系统被建模以抑制来自内部和外部源的中子和伽马射线。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模时间投影室（TPC）中WIMP相互作用、信号形成以及本底抑制效率。
• 实验曝光量计算为5.6吨有效质量持续1,000天，统计不确定性在90%置信水平下评估。
• 排除极限通过直接探测实验中标准统计方法推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5.6吨有效质量、1,000天曝光时间下，自旋无关WIMP-核子散射截面的90%置信水平排除极限是多少？
• RQ2 LZ的主动 veto 系统（包括外探测器和氙气表面）如何抑制来自内部和环境源的本底事件？
• RQ3 在WIMP质量为40 GeV/c²时，LZ对自旋依赖WIMP-中子和WIMP-质子散射的灵敏度如何？
• RQ4 LZ的超低本底环境在多大程度上使在参数空间中此前未探索区域发现WIMPs成为可能？
• RQ5 与以往及当前的直接探测实验相比，LZ的预测灵敏度在截面探测范围方面有何差异？

主要发现

• 对于自旋无关（SI）WIMP-核子散射，LZ预测在40 GeV/c²处，90%置信水平下可排除1.4×10⁻⁴⁸ cm²或更高的截面。
• 对于自旋依赖（SD）WIMP-中子散射，LZ在40 GeV/c²处达到最佳灵敏度2.3×10⁻⁴³ cm²，相比以往实验有显著提升。
• 对于SD WIMP-质子散射，LZ在40 GeV/c²处的预测灵敏度达到7.1×10⁻⁴² cm²，展示了对此前未探测区域参数空间的敏感性。
• 实验的5.6吨有效质量与1,000天曝光时间，使其具备探测低于以往实验90%排除极限的WIMP截面的发现潜力。
• 超低本底水平与外探测器及氙气表面 veto 系统相结合，实现了对残余本底率的强有力原位约束。
• LZ有望探测WIMP直接探测剩余参数空间的显著部分，灵敏度相比以往液态氙实验提升一个以上数量级。