[论文解读] The Southern Hemisphere Hunt for Dark Matter at the Stawell Underground Physics Laboratory

P. Urquijo|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出在澳大利亚建设斯托韦尔地下物理实验室（SUPL），作为SABRE暗物质实验在南半球的站点，采用高纯度NaI(Tl)探测器检验DAMA/LIBRA宣称的年调制信号。通过在南北半球同时部署一对SABRE探测器，实验旨在以模型无关的方式确认或证伪暗物质假说，背景水平预计比DAMA/LIBRA低约2倍，从而在3年内以超过3σ的置信度完成对信号的确认或否定。

ABSTRACT

I report on the Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL), a new facility to be built in 2016, located 1 km below the surface in western Victoria, Australia. I will discuss the status of the proposed SABRE experiment, which will be comprised of a pair of high purity 50-60 kg NaI crystal detectors with active veto shielding to be located in labs in the Northern and Southern Hemispheres respectively. I also discuss projects beyond SABRE, including directional dark matter detectors, which will be used to determine the origin of any true dark matter signals.

研究动机与目标

• 确认或证伪DAMA/LIBRA实验报告的年调制信号，该信号可能指示弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。
• 通过执行模型无关的检验，缓解DAMA/LIBRA的正信号与XENON和LUX等其他实验的零结果之间的张力。
• 建立南半球首个深地实验室，以实现暗物质探测的全球覆盖。
• 借助SUPL优越的地理位置，推进方向性暗物质探测，以观测WIMP风的方向各向异性。
• 通过高纯度晶体和主动 veto 屏蔽技术降低背景水平，实现约0.4 cpd/kg/keV ee的背景率。

提出的方法

• 在南北半球同时部署两台相同的SABRE探测器——每台包含50–60 kg高纯度NaI(Tl)晶体——以比较调制信号。
• 采用主动 veto 屏蔽和符合技术以排除背景事件，特别是来自⁴⁰K衰变和宇宙射线诱导背景的事件。
• 利用蒙特卡罗模拟（Geant4）建模背景抑制效率，结果显示约90%的在晶体中沉积1–4 keV的⁴⁰K事件可被屏蔽或符合技术排除。
• 通过脉冲中子源和飞行时间技术测量Na反冲的淬灭因子，以优化对DAMA信号的解释。
• 利用银道坐标系参考框架探测WIMP诱导核反冲的方向各向异性，预期在天鹅座方向出现过剩。
• 利用SUPL的1 km深度和低背景环境，最大限度减少宇宙射线和环境放射性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 SABRE实验在南半球能否独立确认或证伪DAMA/LIBRA报告的年调制信号？
• RQ2 NaI(Tl)晶体中钠反冲的真实淬灭因子是多少？它如何影响对DAMA信号的解释？
• RQ3 SUPL的方向性暗物质探测器能否通过测量反冲轨迹方向，区分WIMP诱导的反冲与各向同性背景事件？
• RQ4 SABRE在SUPL的预期背景水平是多少？能否在3年内实现对DAMA信号3σ的灵敏度？
• RQ5 SUPL的地理位置如何最大化可观测的WIMP风各向异性幅度？

主要发现

• SABRE实验在SUPL预计可实现约0.4 cpd/kg/keV ee的背景水平，约为DAMA/LIBRA平坦单次计数率的两倍低。
• 蒙特卡罗模拟显示，约90%的在晶体中沉积1–4 keV的⁴⁰K事件可通过屏蔽或符合技术被排除。
• 利用脉冲中子重新分析Na反冲淬灭因子表明，DAMA/LIBRA信号可能源自比以往认为更高的WIMP质量区域（13–32 keV ee），而非原先的7–20 keV ee。
• SABRE实验有望在3年数据采集期内以超过3σ的置信度确认或证伪DAMA/LIBRA的调制信号。
• SUPL的地理位置提供了对WIMP风方向变化最大的赤纬角变化幅度，从而最大化方向探测的可观测各向异性。
• 基于低压气体时间投影室的方向探测器（如CYGNUS项目）是未来在SUPL大规模部署的可行候选方案。