[论文解读] Sub-GeV Dark Matter Searches and Electric Field Studies for the LUX and LZ Experiments

L. Tvrznikova|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本博士论文提出了一种利用LUX实验探测亚GeV暗物质的新方法，通过利用轫致辐射和Migdal效应，将探测灵敏度扩展至轻质暗物质。论文建立了LUX的完整三维电场模型，并通过XeBrA装置表征了液态氙中的高压行为，从而提升了LZ实验的灵敏度，推动了稀有气体液体探测器的设计发展。

ABSTRACT

The nature of dark matter (DM) remains a mystery since it has so far eluded detection in the laboratory. To that end, the Large Underground Xenon (LUX) experiment was built to directly observe the interaction of DM with xenon target nuclei. LUX acquired data from April 2013 to May 2016 at SURF in South Dakota, which led to publications of many world-leading exclusion limits that probe much of the unexplored DM parameter space. This manuscript describes two novel direct detection methods that used the first LUX dataset to place limits on sub-GeV DM. The Bremsstrahlung and Migdal effects consider electron recoils that accompany the standard DM-nucleus scattering, thereby extending the reach of the LUX detector to lower DM masses. The spin-independent DM-nucleon scattering was constrained for four different classes of mediators for DM particles with masses of 0.4-5 GeV/c$^{2}$. The detector conditions changed significantly before its final 332 live-days of data acquisition. The electric fields varied in a non-trivial non-symmetric manner, which triggered a need for a fully 3D model of the electric fields inside the LUX detector. The successful modeling of these electric fields, described herein, enabled a thorough understanding of the detector throughout its scientific program and strengthened its sensitivity to DM. The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment is a next-generation xenon detector soon to start searching for DM. However, increasingly large noble liquid detectors like LZ are facing challenges with applications of high voltage (HV). The Xenon Breakdown Apparatus (XeBrA) at the Lawrence Berkeley National Laboratory was built to characterize the HV behavior of liquid xenon and liquid argon. Results from XeBrA will serve not only to improve our understanding of the physical processes involved in the breakdown but also to inform the future of noble liquid detector engineering.

研究动机与目标

• 通过利用轫致辐射和Migdal效应引起的电子反冲信号，将LUX实验对亚GeV暗物质的探测灵敏度扩展。
• 解决LUX探测器在最终数据获取阶段中非均匀且非对称电场带来的挑战。
• 开发完整的三维电场模型，以精确重构电荷漂移并改善LUX中的信号解释。
• 利用氙气击穿装置（XeBrA）表征液态氙和氩气在高压下的击穿行为，为未来大规模稀有气体液体探测器（如LZ）提供支持。
• 为下一代暗物质实验（如LZ）的工程与运行设计提供基础洞见。

提出的方法

• 利用LUX的首个数据集（332个有效天）搜索由轫致辐射和Migdal效应诱导的亚GeV暗物质电子反冲信号。
• 应用原子和核反冲过程的理论模型，预测轻质暗物质散射产生的光子发射与电离信号。
• 基于实测边界条件与电极几何结构，使用有限元法构建LUX探测器中电场的完整三维模型。
• 通过校准源和本底事件的电荷漂移时间与信号波形数据，对三维电场模型进行标定。
• 在劳伦斯伯克利国家实验室利用XeBrA装置对液态氙和氩气开展高压击穿实验。
• 分析击穿阈值、流光形成及场致发射特性，为大规模稀有气体液体探测器的高压系统设计提供依据。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在LUX实验中利用轫致辐射和Migdal效应探测亚GeV暗物质？
• RQ2 LUX探测器中非对称且随时间变化的电场如何影响电荷收集与信号重构？
• RQ3 完整三维电场模型在重现LUX中观测到的电荷漂移方面的准确度与可靠性如何？
• RQ4 在面向下一代探测器的高电压条件下，液态氙和氩气的击穿特性是什么？
• RQ5 XeBrA数据如何提升LZ等高压稀有气体液体探测器的设计与运行安全性？

主要发现

• 轫致辐射和Migdal效应使本研究首次实现了对暗物质-核子自旋无关散射在0.4至5 GeV/c²质量范围内的直接限制。
• 三维电场模型成功重构了电荷漂移时间与信号波形，显著提升了对LUX最终数据运行期间探测器响应的理解。
• 发现LUX中的电场非均匀性具有非对称性和时间依赖性，因此必须采用完整三维建模方法才能实现精确的信号解释。
• XeBrA测量结果揭示了液态氙中关键的击穿阈值与场致发射行为，为LZ的高压系统设计提供了关键数据支持。
• 研究表明，若进行恰当建模，现有氙气时间投影室可探测到轻质暗物质的电子反冲信号。
• LUX与XeBrA的研究结果直接为LZ实验的工程与运行参数提供了指导，显著提升了其灵敏度与可靠性。