[论文解读] Sources of Low-Energy Events in Low-Threshold Dark Matter Detectors

Peizhi Du, Daniel Egaña-Ugrinovic+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 156被引用 9

一句话总结

本文識別出切倫科夫輻射、穿過輻射和再結合發光是亞GeV暗物質探測器中主要的低能背景，並表明這些背景源自高能宇宙射線或放射性粒子與探測器材料的相互作用。研究顯示，這些過程解釋了SENSEI、SuperCDMS HVeV 和 SuperCDMS SNOLAB 中大量單電子事件，對未來探測器設計與探測靈敏度限制具有重要影響。

ABSTRACT

We discuss several low-energy backgrounds to sub-GeV dark matter searches, which arise from high-energy particles of cosmic or radioactive origin that interact with detector materials. We focus on Cherenkov radiation, transition radiation, and luminescence or phonons from electron-hole pair recombination, and show that these processes are an important source of backgrounds at both current and planned detectors. We perform detailed analyses of these backgrounds at several existing and proposed experiments. We find that a large fraction of the observed single-electron events in the SENSEI 2020 run originate from Cherenkov photons generated by high-energy events in the Skipper-CCD, and from recombination photons generated in a phosphorus-doped layer of the same instrument. In a SuperCDMS HVeV 2020 run, Cherenkov photons produced in the sensor holders likely explain the origin of most of the events containing 2 to 6 electrons. At SuperCDMS SNOLAB, Cherenkov radiation from radioactive contaminants in Cirlex could dominate the low-energy backgrounds. For EDELWEISS, Cherenkov or luminescence backgrounds are subdominant to their observed event rate, but could still limit the sensitivity of their future searches. We also point out that Cherenkov radiation, transition radiation, and recombination could be a significant source of backgrounds at future experiments aiming to detect dark-matter via scintillation or phonon signals. The implications of our results for sub-GeV dark-matter searches and for the design of future detectors are significant. In particular, several design strategies to mitigate these backgrounds can be implemented, such as minimizing non-conductive materials near the target, implementing active and passive shielding, and using multiple detectors. Finally, we speculate on the implications of our results for the development of quantum computers and neutrino detectors.

研究动机与目标

• 識別並量化亞GeV暗物質探測器中由高能粒子與探測器材料相互作用產生的低能背景。
• 研究切倫科夫輻射、電子-空穴再結合產生的發光以及穿過輻射在產生偽信號中的角色。
• 評估這些背景對當前及未來實驗（如 SENSEI、SuperCDMS 和 EDELWEISS）的影響。
• 提供針對下一代暗物質探測器中減輕這些背景的設計建議。
• 探討對量子計算與中微子探測技術的更廣泛影響。

提出的方法

• 對現有及擬議實驗（包括 SENSEI、SuperCDMS HVeV、SuperCDMS SNOLAB 和 EDELWEISS）的背景貢獻進行詳細分析。
• 對感測器支架與摻磷層等探測器組件中切倫科夫光子產生的建模。
• 評估半導體與絕緣體中電子-空穴再結合產生的發光與聲子信號。
• 評估高能粒子在探測器材料中相互作用所產生的穿過輻射貢獻。
• 利用 SENSEI 2020、SuperCDMS HVeV 2020 和 SuperCDMS SNOLAB 的實驗事件資料，追蹤事件來源。
• 應用屏蔽與材料選擇策略，估算背景抑制潛力。

实验结果

研究问题

• RQ1 SENSEI 2020 跑道中，有多少比例的單電子事件可歸因於 Skipper-CCD 中高能事件產生的切倫科夫光子？
• RQ2 SENSEI 中摻磷層的再結合光子對低能背景的貢獻有多大？
• RQ3 SuperCDMS HVeV 2020 跑道中 2–6 個電子事件的來源為何？其中有多少是來自感測器支架中的切倫科夫輻射？
• RQ4 Cirlex 材料中的放射性雜質如何影響 SuperCDMS SNOLAB 的低能背景？
• RQ5 切倫科夫或發光背景在多大程度上可能限制未來 EDELWEISS 探測的靈敏度？

主要发现

• SENSEI 2020 跑道中大量單電子事件源自 Skipper-CCD 中高能事件產生的切倫科夫光子。
• SENSEI 探測器中摻磷層的再結合光子也對低能背景有顯著貢獻。
• 在 SuperCDMS HVeV 2020 跑道中，感測器支架內產生的切倫科夫光子很可能解釋了 2 至 6 個電子的大多數事件。
• 在 SuperCDMS SNOLAB 中，Cirlex 材料中放射性雜質產生的切倫科夫輻射可能主導低能背景。
• 對於 EDELWEISS，雖然切倫科夫或發光背景在觀測事件率中處於次級地位，但仍可能限制未來的探測靈敏度。
• 預期在未來使用閃爍或聲子探測技術的實驗中，切倫科夫輻射、穿過輻射和再結合將成為顯著的背景來源。