[论文解读] PTOLEMY: A Proposal for Thermal Relic Detection of Massive Neutrinos and Directional Detection of MeV Dark Matter

E. Baracchini, Maria Grazia Betti+49 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2018

Superconducting and THz Device Technology参考文献 47被引用 64

一句话总结

PTOLEMY 提出了一项原理性地下实验，直接使用基于石墨烯的氚靶结合高分辨率 TES 熱量計来探测宇宙中微子背景，并探索使用石墨烯进行 MeV 暗物质的定向探测。

ABSTRACT

We propose to achieve the proof-of-principle of the PTOLEMY project to directly detect the Cosmic Neutrino Background (CNB). Each of the technological challenges described in [1,2] will be targeted and hopefully solved by the use of the latest experimental developments and profiting from the low background environment provided by the LNGS underground site. The first phase will focus on the graphene technology for a tritium target and the demonstration of TES microcalorimetry with an energy resolution of better than 0.05 eV for low energy electrons. These technologies will be evaluated using the PTOLEMY prototype, proposed for underground installation, using precision HV controls to step down the kinematic energy of endpoint electrons to match the calorimeter dynamic range and rate capabilities. The second phase will produce a novel implementation of the EM filter that is scalable to the full target size and which demonstrates intrinsic triggering capability for selecting endpoint electrons. Concurrent with the CNB program, we plan to exploit and develop the unique properties of graphene to implement an intermediate program for direct directional detection of MeV dark matter [3,4]. This program will evaluate the radio-purity and scalability of the graphene fabrication process with the goal of using recently identified ultra-high radio-purity CO2 sources. The direct detection of the CNB is a snapshot of early universe dynamics recorded by the thermal relic neutrino yield taken at a time that predates the epochs of Big Bang Nucleosynthesis, the Cosmic Microwave Background and the recession of galaxies (Hubble Expansion). Big Bang neutrinos are believed to have a central role in the evolution of the Universe and a direct measurement with PTOLEMY will unequivocally establish the extent to which these predictions match present-day neutrino densities.

研究动机与目标

• 通过基于石墨烯靶的氚捕获直接检测宇宙中微子背景（CNB）
• 开发并验证高分辨率（≤0.05 eV）TES 熱量計，耦合高精度高压（HV）系统以测量端点电子能量
• 建立低背景、超高纯度石墨烯靶材及电磁过滤来抑制背景
• 探索使用石墨烯基和 CNT 基探测概念对 MeV 量级暗物质的定向探测
• 评估向完整 Cosmic Neutrino Telescope 的可扩展性，并为全球部署多座望远镜奠定路径

提出的方法

• 使用石墨烯涂层的氚靶以实现对氚的中微子捕获，并检测高于β 衰变端点的单能电子信号
• 使用子 0.05 eV 能量分辨率的 TES 熱量計来测量低能电子能量
• 实现一个 MAC-E 风格的电磁过滤器，在过滤过程中达到约 1% 的能量分辨率
• 开发高稳定性、精密 HV 控制与 RF 触发系统，以在能量测量时与单个电子的事件在 coincidence 中进行识别
• 在 LNGS 进行地下、低背景操作以验证背景水平与背景抑制策略
• 通过 PTOLEMY-G3（G-FET 传感器）和 PTOLEMY-CNT 概念，追求石墨烯基础 MeV 暗物质定向探测的灵敏度与角信息

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LNGS 的石墨烯靶设置下，CNB 能否通过对氚的中微子捕获直接检测？
• RQ2 实现的能量分辨率和背景水平在将 CNB 信号与氚 β 脱落端点背景分离方面需要达到何种程度？
• RQ3 高纯度石墨烯靶对 14C 及其他与 CNB 测量相关的背景有何影响？
• RQ4 是否可通过石墨烯传感器或碳纳米管靶实现对 MeV 量级暗物质的定向探测？
• RQ5 基于原型结果，向可扩展的完整 Cosmic Neutrino Telescope 架构迈进的路径是什么？

主要发现

• 对于低能电子，TES 热量计实现的小于 0.05 eV 能量分辨率（原型目标）
• 计划在地下 LNGS 部署以实现对 CNB 相关测量的约 10^6 背景抑制因子
• PTOLEMY-G3 面向 MeV 暗物质在 4 MeV、1e3 cm^3 有效体积下，灵敏度约为 〈σ_e〉/ ? ~ 10^-33 cm^2，展示了定向探测潜力
• PTOLEMY-CNT 概念在适当曝光下对 5 MeV 暗物质的灵敏度可达 ~ 10^-37 cm^2，利用 CNT 几何结构实现定向信息
• 高放射纯度石墨烯靶材与 CO2 来源的石墨烯制备正在开发中，以将 14C 背景抑制到适合 CNB 与 MeV-DM 搜索的水平