[论文解读] The ANAIS-112 experiment at the Canfranc Underground Laboratory

J. Amaré, S. Cebrián+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

位于坎弗朗克地下实验室的ANAIS-112实验使用112.5公斤高纯度NaI(Tl)闪烁体探测器，旨在验证DAMA/LIBRA报告的年调制信号，以确认暗物质探测结果。实验采用1 keV能量阈值和超低本底，实现了15 phe/keV的光收集效率，并平均测得40K和210Pb的活度分别为1.0 mBq/kg和1.5 mBq/kg，证明其具备探测弱相互作用大质量粒子（WIMPs）引起的DAMA信号的灵敏度。

ABSTRACT

The ANAIS experiment aims at the confirmation of the DAMA/LIBRA signal at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). Several 12.5 kg NaI(Tl) modules produced by Alpha Spectra Inc. have been operated there during the last years in various set-ups; an outstanding light collection at the level of 15 photoelectrons per keV, which allows triggering at 1 keV of visible energy, has been measured for all of them and a complete characterization of their background has been achieved. In the first months of 2017, the full ANAIS-112 set-up consisting of nine Alpha Spectra detectors with a total mass of 112.5 kg was commissioned at LSC and the first dark matter run started in August, 2017. Here, the latest results on the detectors performance and measured background from the commissioning run will be presented and the sensitivity prospects of the ANAIS-112 experiment will be discussed.

研究动机与目标

• 在不同地下环境中，使用相同靶材料（NaI(Tl)）确认DAMA/LIBRA报告的年调制信号。
• 实现≤2 keV ee的能量阈值和低于10 keV ee的本底水平，以确保对潜在WIMP信号的灵敏度。
• 通过使用放射纯材料、主动屏蔽和氡气抑制，最小化仪器和环境本底。
• 建立稳定、长期的数据获取系统，配备冗余触发和监控机制，以实现系统性控制。
• 实现盲法年调制分析，并在科学分析完成后公开数据，以确保客观性和可重复性。

提出的方法

• 在坎弗朗克地下实验室2450米水当量深度，将九个12.5公斤的NaI(Tl)探测器（来自Alpha Spectra Inc.）以3×3阵列布置，每个探测器配备两个PM T和OFE铜封装。
• 所有探测器均实现15 phe/keV的光收集效率，可实现1 keV可见能量的触发，且全面表征了光输出和能量分辨率。
• 采用多层屏蔽系统：10厘米考古铅、20厘米低活度铅、40厘米中子慢化体、无氡空气冲洗，以及使用塑料闪烁体的主动μ子 veto。
• 使用锗探测器对所有PM T进行放射纯度筛选，以最小化本底中的本征放射性。
• 通过脉冲形状分析和BiPo序列识别，利用α衰变速率量化232Th和238U的活度，并通过γ射线和符合技术测量40K和210Pb。
• 使用Geant4模拟本底谱，整合实测晶体活度和探测器几何结构，以建模40K、210Pb、宇宙成因核素和22Na的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 ANAIS-112实验能否在不同地下位置使用相同NaI(Tl)闪烁体探测器，确认DAMA/LIBRA观测到的年调制信号？
• RQ2 在2–6 keV ee能量范围内，本底本底水平（特别是40K和210Pb）是多少？是否可降低至足以探测潜在WIMP信号的程度？
• RQ3 探测器性能（特别是光收集效率和能量阈值）是否满足对年调制信号敏感探测的要求？
• RQ4 宇宙成因核素（如3H、22Na）对低能本底的贡献如何？其随时间衰减的特性是否可用于验证本底模型？
• RQ5 在暗物质假说下，ANAIS-112在五年数据采集后对年调制信号的预期灵敏度如何？

主要发现

• ANAIS-112实验在全部九个探测器中均实现了15 phe/keV的光收集效率，证实了高性能，并实现了1 keV可见能量的触发。
• 晶体中40K的平均活度为1.0 mBq/kg，个体值在0.6至1.4 mBq/kg之间，与低本征放射性一致。
• 210Pb的平均活度为1.5 mBq/kg，所有探测器均显示出非平衡态的210Pb，表明此前暴露导致的污染；后期生产的晶体中该污染已降低。
• 调试运行（2017年3月至7月）的本底谱显示宇宙成因核素明显衰减，特别是在最后几个探测器中，验证了时间依赖本底模型。
• 对探测器D8的初步本底建模与数据吻合良好，210Pb在约50 keV附近贡献显著，且由于地下暴露时间较短，宇宙成因核素仍具重要影响。
• 五年数据采集后的灵敏度预测表明，在WIMP假说下，ANAIS-112可在90%置信水平上探测到与DAMA/LIBRA结果兼容的3σ区域内的年调制信号。