[论文解读] Simulation and background characterisation of the SABRE South experiment

E. L. Barberio, T. Baroncelli+39 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用 7

一句话总结

本文基于Geant4模拟了SABRE South实验，表明其超低本底率——主要源于放射性纯度高的NaI(Tl)晶体和主动本底抑制——使其在2.5年内使用50 kg目标质量、1–6 keVee能量范围内本底为0.72 cpd/kg/keVee，能够以4σ（无结果）或5σ（观测结果）排除或确认DAMA/LIBRA的年调制信号。

ABSTRACT

SABRE (Sodium iodide with Active Background REjection) is a direct detection dark matter experiment based on arrays of radio-pure NaI(Tl) crystals. The experiment aims at achieving an ultra-low background rate and its primary goal is to confirm or refute the results from the DAMA/LIBRA experiment. The SABRE Proof-of-Principle phase was carried out in 2020-2021 at the Gran Sasso National Laboratory (LNGS), in Italy. The next phase consists of two full-scale experiments: SABRE South at the Stawell Underground Physics Laboratory, in Australia, and SABRE North at LNGS. This paper focuses on SABRE South and presents a detailed simulation of the detector, which is used to characterise the background for dark matter searches including DAMA/LIBRA-like modulation. We estimate an overall background of 0.72 cpd/kg/keV$_{ee}$ in the energy range 1$-$6 keV$_{ee}$ primarily due to radioactive contamination in the crystals. Given this level of background and considering that the SABRE South has a target mass of 50 kg, we expect to exclude (confirm) DAMA/LIBRA modulation at $4~(5)σ$ within 2.5 years of data taking.

研究动机与目标

• 模拟并表征SABRE South实验中的本底，该实验为使用超纯NaI(Tl)晶体的直接暗物质探测实验。
• 评估SABRE South对DAMA/LIBRA报告的年调制信号的灵敏度，该信号尚未被其他实验确认。
• 量化放射性杂质（特别是晶体和周围材料中的210Pb和87Rb）对整体本底率的贡献。
• 在现实本底条件下，评估SABRE South对DAMA/LIBRA类似调制信号的发现与排除能力。
• 通过结合实测或假设的放射性水平的详细Geant4模拟，验证实验设计和本底抑制策略。

提出的方法

• 开发了SABRE South探测器几何结构的完整Geant4模拟，精确建模了晶体位置、屏蔽层及周围材料。
• 探测器组件中的放射性污染水平基于实测值或保守估计，包括晶体中的210Pb、87Rb以及宇宙射线产生的共生3H。
• 主动本底抑制系统被建模为识别并剔除来自外部和内部辐射源的事件。
• 按单位能量和质量计算本底贡献，结果以每公斤每千电子伏特每天空计数（cpd/kg/keVee）表示。
• 基于信噪比和预期数据获取时长，使用统计功效计算评估对DAMA/LIBRA调制的灵敏度。
• 模拟考虑了能量依赖的淬灭因子及其对解释的影响，特别是与DAMA/LIBRA信号的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SABRE South实验中，特别是在与DAMA/LIBRA调制相关的1–6 keVee能量窗口内，预期的本底率是多少？
• RQ2 NaI(Tl)晶体中210Pb、87Rb及共生3H的贡献如何影响整体本底率？
• RQ3 在合理数据获取时间内，SABRE South对排除或确认DAMA/LIBRA年调制信号的灵敏度如何？
• RQ4 淬灭因子值如何影响DAMA/LIBRA信号的解释以及SABRE South的灵敏度？
• RQ5 SABRE South能否在使用相同靶材料和探测技术的前提下，实现对DAMA/LIBRA结果的模型无关性确认或排除？

主要发现

• SABRE South在1–6 keVee能量范围内的总本底率估计为0.72 cpd/kg/keVee，其中95%的本底来自NaI(Tl)晶体中的放射性污染。
• 主要本底来源为体相210Pb污染（0.28 cpd/kg/keVee）和共生3H产生（7.8×10⁻² cpd/kg/keVee），而87Rb贡献为0.22 cpd/kg/keVee。
• 在50 kg目标质量和0.72 cpd/kg/keVee本底条件下，SABRE South可在2.5年内以4σ排除或以5σ确认DAMA/LIBRA调制信号。
• 若能量范围限制在2–6 keVee，3σ排除或5σ发现所需的取样时间分别减少至约1.5年和2.8年。
• 只要SABRE South与DAMA/LIBRA使用相同的淬灭因子值，其排除与发现能力对淬灭因子的变化具有鲁棒性，从而保持了测试的模型无关性。
• 模拟表明，SABRE South的本底显著低于其他NaI(Tl)实验，使其能够更快、更明确地解决DAMA/LIBRA异常问题。