[论文解读] The ANAIS Dark Matter Project: Status and Prospects

J. Amaré, S. Cebrián+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 5

一句话总结

ANAIS实验旨在使用位于坎夫兰克地下实验室的100公斤高纯度NaI(Tl)闪烁体，通过模型无关的方法确认DAMA/LIBRA实验报告的年调制信号。通过采用新型探测器的改进放射纯度，ANAIS–37实现了1 keVee的能量阈值，并将²¹⁰Pb污染降低至0.7 mBq/kg，即使在保守假设下，也具备在90%置信水平上探测到DAMA信号的预期灵敏度。

ABSTRACT

The ANAIS (Annual modulation with NaI(Tl) Scintillators) experiment aims at the confirmation of the DAMA/LIBRA positive annual modulation signal using the same target and technique at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). A first step, named ANAIS-25 (two 12.5 kg NaI(Tl) modules) taking data from December 2012 to February 2015, provided interesting outcomes: very high light collection efficiency, that could allow to lower the analysis energy threshold down to the level of 1 keVee, and a good understanding of the different background components, in particular the cosmogenic activated isotopes in the crystal bulk and other radioactive contaminations of the NaI crystal/powder. But those prototypes clearly pointed to the need for improved crystal radiopurity, in particular for $^{210}$Pb contamination. Since then, improvements in the purification and growing procedures in order to reduce background in the very low energy region have been implemented and a new 12.5 kg module has been constructed and installed between the former two crystals, forming the ANAIS-37 setup. Very preliminary results of this setup evidence the improvement on radiopurity of the new crystal and are presented here. In addition, background simulations and prospects for the full experiment are discussed.

研究动机与目标

• 通过模型无关的方法确认DAMA/LIBRA报告的年调制信号。
• 实现1 keVee的低能量阈值，以增强对轻质量暗物质候选者的探测灵敏度。
• 通过改进晶体提纯和处理工艺，减少背景贡献，特别是²¹⁰Pb和⁴⁰K的贡献。
• 构建由100公斤NaI(Tl)探测器阵列组成的装置，配备主动和被动屏蔽以抑制背景。
• 证明足够的放射纯度和光收集效率，以实现对自旋无关暗物质散射的高灵敏度探测。

提出的方法

• 在ANAIS–25中使用两个12.5公斤的NaI(Tl)晶体（D0和D1）表征探测器性能和背景组分。
• 安装一个新模块D2（12.5公斤），采用改进的提纯和生长工艺，以降低²¹⁰Pb污染。
• 采用双侧光电倍增管配合石英窗口，不使用光导，以最大化光收集效率。
• 通过聚酯薄膜窗口引入外部⁵⁷Co和¹⁰⁹Cd源，实现低至1 keVee的能量标定。
• 实施主动 veto 系统（塑料闪烁体）和被动屏蔽（铅、中子慢化体、防氡箱）以抑制背景。
• 基于已知核素（⁴⁰K、²¹⁰Pb）和事件时间特性的背景建模，以区分信号与噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 ANAIS实验能否在高光收集效率下实现1 keVee的能量阈值？
• RQ2 通过改进的提纯和生长工艺，²¹⁰Pb污染在NaI(Tl)晶体中能降低到何种程度？
• RQ3 新D2模块是否显示出与先前原型相比可测量的低能背景减少？
• RQ4 在保守背景假设下，100公斤ANAIS装置对年调制信号的预期灵敏度如何？
• RQ5 与主动veto系统配合的3×3探测器阵列能否显著抑制背景事件？

主要发现

• ANAIS–37装置实现了16.3 ± 0.6 phe/keV的光收集效率，使1 keVee的能量阈值成为可能。
• 新D2模块中²¹⁰Pb污染降低至0.70 ± 0.1 mBq/kg，相比先前模块降低了5倍。
• ⁴⁰K污染降低至约1 mBq/kg（约40 ppb天然钾），与低背景水平一致。
• D2模块相比D0和D1显示出明显的低能背景减少，初步谱图已证实此结果。
• D2模块的背景建模正在开发中，20 keV以上能量区域符合良好，低能区域的残余偏差正在调查。
• 即使在保守假设下，100公斤ANAIS装置的预期灵敏度在大多数 favored 暗物质参数空间内，可达到90%置信水平以探测DAMA/LIBRA信号。