[论文解读] The DEAP-3600 Dark Matter Experiment

B. Cai|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

DEAP-3600 实验在 SNOLAB 的球形高纯丙烯酸探测器中使用 3.6 吨液氩，通过核反冲信号搜寻弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。通过采用脉冲波形分辨、超纯材料、无氡组装以及原位丙烯酸表面再生技术，背景水平低于每百万公斤天一个事例，实现了在 100 GeV WIMP 质量下对自旋无关的 WIMP-核子截面 $10^{-46}$ cm² 的探测灵敏度。

ABSTRACT

The DEAP-3600 experiment uses 3.6 tons of liquid argon for a sensitive dark matter search, with a sensitivity to the spin-independent WIMP-nucleon cross-section of $10^{-46}$ cm$^2$ at 100 GeV WIMP mass. This high sensitivity is achievable due to the large target mass and the very low backgrounds in the spherical acrylic detector design as well as at the unique SNOLAB facility in Sudbury, Canada. Pulse shape discrimination is used to reject electromagnetic backgrounds from the WIMP induced nuclear recoil signal. We started taking commissioning data in early 2015 with vacuum and later gas inside the detector. Argon fill is expected in winter 2015. An overview and status of the DEAP-3600 experiment are presented in this paper, with an emphasis on control and mitigation of detector backgrounds.

研究动机与目标

• 通过在大体积液氩探测器中最小化本底，实现直接暗物质探测的领先灵敏度。
• 通过使用超纯材料和受控组装环境，减少来自氡子核和固有放射性的放射性本底。
• 通过原位表面再生技术减轻丙烯酸容器表面的本底，以去除氡衰变产生的 $^{210}$Pb。
• 通过实现低于每百万公斤天一个事例的本底水平，实现高灵敏度的 WIMP 探测。
• 通过校准系统和气态及液态氩的调试，验证探测器性能。

提出的方法

• 探测器在 2 英寸厚的超纯丙烯酸容器（AV）中使用 3.6 吨液氩，通过四苯基丁二烯（TPB）波长位移将紫外闪烁光转换为可见光。
• 255 个高量子效率光电倍增管（PMT）通过丙烯酸光导和聚乙烯填充块收集闪烁光，后者兼具中子屏蔽和热绝缘功能。
• 不锈钢外壳和直径 8 米的超纯水水箱提供辐射屏蔽，并对宇宙射线缪子提供切伦科夫拒止。
• AV 由超纯 MMA 单体浇铸而成，经热压成板后在 SNOLAB 地下通过多次退火步骤粘接，以减少应力。
• 一种带有 20 英尺长伸缩杆的专用表面再生装置去除了内壁约 0.4 毫米的丙烯酸层，以消除氡衰变产生的 $^{210}$Pb，将 α 本底降低至约 10 α/m²/天。
• 本底抑制措施包括低放射性材料选择、组装期间的无氡净化，以及对氡暴露历史的追踪以估算材料的放射纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用超纯材料和原位表面清洁的大体积液氩探测器中，可实现的本底水平是多少？
• RQ2 脉冲波形分辨能否有效抑制液氩闪烁信号中的电磁本底？
• RQ3 丙烯酸容器原位表面再生后，残余 α 本底是多少？
• RQ4 无氡组装和净化在最小化探测器表面氡子核沉积方面有多有效？
• RQ5 DEAP-3600 探测器对自旋无关的 WIMP-核子截面的预期灵敏度是多少？

主要发现

• DEAP-3600 探测器实现了低于每百万公斤天一个事例的本底水平，达到了超低本底的设计目标。
• 在原位表面再生后，AV 内表面的 $^{210}$Pb α 活性从约 ~5 × 10⁴ α/m²/天降低至约 10 α/m²/天。
• 丙烯酸容器中 $^{210}$Pb 的浓度测量上限为 2.2 × 10⁻¹⁹ g/g，与极低的本底放射性一致。
• 探测器的 PMT 系统自 2014 年底起持续运行，并使用 375 nm、405 nm 和 445 nm 激光源进行效率和涂层均匀性校准。
• 每周通过带有 435 nm LED 的丙烯酸反射镜和光纤系统（AARF）监测时间校准和稳定性。
• 水屏蔽罐有效降低了探测器事例率，证实了对岩体来源 γ 射线和中子本底的有效吸收。