[论文解读] Status and Sensitivity Projections for the XENON100 Dark Matter Experiment

E. Aprile, L. Baudis|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 19

一句话总结

本文介绍了XENON100暗物质实验的设计、调试状态以及灵敏度预测，该实验是一个在格兰萨索地下实验室运行的100公斤级两相氙时间投影室。通过实现6,000公斤天的无背景曝光，XENON100在2009年预计对自旋无关的WIMP-核子散射截面的灵敏度达到$2 \times 10^{-45}$ cm²，通过改进背景抑制和增加目标质量，计划在2012年将灵敏度提升至$2 \times 10^{-46}$ cm²。

ABSTRACT

The XENON experimental program aims to detect cold dark matter particles via their elastic collisions with xenon nuclei in two-phase time projection chambers (TPCs). We are currently testing a new TPC at the 100 kg scale, XENON100. This new, ultra-low background detector, has a total of 170 kg of xenon (65 kg in the target region and 105 kg in the active shield). It has been installed at the Gran Sasso Underground Laboratory and is currently in commissioning phase. We review the design and performance of the detector and its associated systems, present status, preliminary calibration results, background prediction and projected sensitivity. With a 6000 kg-day background-free exposure, XENON100 will reach a sensitivity to spin-independent WIMP-nucleon cross section of 2e-45 cm2 by the end of 2009. We also discuss our plan to upgrade the XENON100 experiment to improve the sensitivity by another order of magnitude by 2012.

研究动机与目标

• 展示使用两相氙时间投影室（XeTPC）在100公斤量级实现高灵敏度、低背景暗物质探测的可行性。
• 通过利用S2/S1比值和主动 veto 系统进行主动背景鉴别，实现在事例化目标体积内的无背景运行。
• 通过自旋无关和自旋相关的散射截面，预测XENON100实验对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的实验灵敏度。
• 概述一条路径，通过减少背景和增加目标质量，使XENON100在2012年前将灵敏度提高一个数量级。
• 通过初步校准和屏蔽数据验证探测器的性能和背景抑制能力。

提出的方法

• 采用两相氙时间投影室（XeTPC），在半径15厘米、高30厘米的聚四氟乙烯（PTFE）壁容器中装有65公斤液态氙（LXe），并配备178个低放射性光电倍增管（98个位于气相，80个位于液相），用于同时探测S1（初级闪烁）和S2（比例闪烁）信号。
• 在30厘米的LXe间隙上施加1 kV/cm的漂移电场，并在5毫米的气相比例闪烁区域施加13 kV/cm的电场，以放大电离信号，实现高电子寿命和高效的电荷收集。
• 通过事例化技术将目标内50公斤（后扩展至30公斤或100公斤）的区域与表面和材料背景隔离，提高信号纯度。
• 使用105公斤的主动液态氙（LXe）veto系统作为周围屏蔽，通过与主探测器的符合测量检测并拒绝外部背景事件。
• 实施连续的氙气循环系统，采用高温金属吸气剂（SAES）将氙气纯化至<1 ppb O₂当量，确保长电子漂移长度（>4米）和高真空紫外光子透射率。
• 实施98%效率的μ子veto系统，以抑制由屏蔽和岩石中μ子诱导的散裂反应产生的中子背景，从而降低单次散射核 recoil（NR）率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在6,000公斤天无背景曝光条件下，XENON100实验对自旋无关的WIMP-核子散射截面的灵敏度预期是多少？
• RQ2 S2/S1比值在液态氙中对核 recoil（WIMP信号）与电子 recoil（主要背景）的鉴别效率如何？
• RQ3 XENON100探测器中的主要背景源是什么？如何通过屏蔽、事例化和主动veto系统来抑制这些背景？
• RQ4 为在2012年前实现$2 \times 10^{-46}$ cm²的灵敏度，XENON100需要进行哪些改进？
• RQ5 通过材料选择、低放射性组件以及优化低温和电气系统，探测器的背景预算可降低到何种程度？

主要发现

• 在6,000公斤天无背景曝光条件下，XENON100在2009年底预计对100 GeV/c²的WIMP实现自旋无关WIMP-核子散射截面的灵敏度为$2 \times 10^{-45}$ cm²。
• 当前XENON100实验在50公斤事例化质量下40天的运行中，灵敏度为$6 \times 10^{-45}$ cm²；在30公斤事例化体积中运行6个月后，灵敏度提升至$2 \times 10^{-45}$ cm²。
• 升级后的XENON100实验，采用100公斤事例化目标质量并进一步抑制背景，预计灵敏度可达$2 \times 10^{-46}$ cm²，相比基础XENON100灵敏度提高一个数量级。
• 在WIMP探测区域（2–12 keVee 或 4.5–26.9 keVnr）的总背景率估计为：电子反冲（ER）<9.8 事件/公斤/天，核反冲（NR）<55.7 事件/公斤/天，主要贡献来自⁸⁵Kr、²²²Rn和μ子诱导的中子。
• S2/S1比值鉴别技术在99.5–99.9%的效率下有效抑制了电子反冲背景，从而有效抑制了γ和β背景。
• 在升级后的XENON100 100公斤事例化目标中，NR总背景估计为<7.3 事件/年，ER总背景估计为<0.35 事件/年，98%的μ子veto将μ子诱导的中子背景降至<3.7 事件/年。