[论文解读] The XENONnT Dark Matter Experiment

XENON Collaboration, Aprile, E.+193 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

XENONnT实验是一项利用液态氙时间投影室的下一代暗物质搜寻实验，实现了15.8 ± 1.3 次事件/(公吨·年·keVee)的创纪录低水平电子反冲本底。该实验展示了改进的本底抑制能力和稳定的增益校准，从而将WIMP-核子散射截面的90%置信度上限降低至2.6×10⁻⁴⁷ cm²（对应28 GeV/c²的WIMP质量）。

ABSTRACT

The multi-staged XENON program at INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso aims to detect dark matter with two-phase liquid xenon time projection chambers of increasing size and sensitivity. The XENONnT experiment is the latest detector in the program, planned to be an upgrade of its predecessor XENON1T. It features an active target of 5.9 tonnes of cryogenic liquid xenon (8.5 tonnes total mass in cryostat). The experiment is expected to extend the sensitivity to WIMP dark matter by more than an order of magnitude compared to XENON1T, thanks to the larger active mass and the significantly reduced background, improved by novel systems such as a radon removal plant and a neutron veto. This article describes the XENONnT experiment and its sub-systems in detail and reports on the detector performance during the first science run.

研究动机与目标

• 通过降低液态氙暗物质探测器中的电子反冲本底，以提高对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的探测灵敏度。
• 实现光信号和电荷信号增益校准的亚1%稳定性，以实现精确的能量重建。
• 实施先进的本底抑制技术，包括氡去除和掺钆水的中子 veto 系统。
• 在XENON1T的基础上，通过改进探测器性能，开展高灵敏度的暗物质搜寻。
• 通过在多个单能级校准线中系统监测光信号和电荷信号产额，验证XENONnT探测器的性能。

提出的方法

• 采用液态氙时间投影室（TPC），通过双相探测技术测量闪烁光信号（S1）和电离信号（S2）。
• 利用单能伽马射线和电子源（如³⁷Ar、⁸³mKr、¹³¹mXe、¹²⁹mXe）进行增益校准，以确定S1和S2的增益。
• 应用公式 $ L_y = \frac{1}{g_1} \left( \frac{cS1}{g_1} + \frac{cS2}{g_2} \right) $，其中 $ W = 13.7 $ eV，将光信号和电荷信号产额与能量沉积关联起来。
• 定期监测S1和S2信号产额，确保光增益和电荷增益在1.0%和1.9%以内的时间稳定性。
• 采用掺钆水（500 ppm Gd-硫酸盐）的中子 veto 系统，以抑制放射性中子本底。
• 实施本底抑制策略，将²²²Rn水平降低至1 μBq/kg以下，显著降低宇宙射线和放射性本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 在先进本底抑制后，液态氙TPC可实现的电子反冲本底水平是多少？
• RQ2 光信号和电荷信号增益在长时间内有多稳定？能量重建中的系统不确定度是多少？
• RQ3 XENONnT探测器能否实现相比XENON1T电子反冲本底降低5倍？
• RQ4 在一年数据采集后，对WIMP-核子散射截面的探测灵敏度如何？
• RQ5 掺钆水罐在抑制中子诱导本底方面效果如何？

主要发现

• XENONnT实现了15.8 ± 1.3 次事件/(公吨·年·keVee)的创纪录低电子反冲本底，相比XENON1T降低了5倍。
• 在科学运行期间，光增益和电荷增益分别保持在1.0%和1.9%以内，线能量重建中存在1–2%的偏差，已纳入系统不确定度。
• 探测器在90%置信度下，对28 GeV/c²的WIMP质量，实现了最小WIMP-核子散射截面上限2.6×10⁻⁴⁷ cm²。
• ²²²Rn本底被降低至1 μBq/kg以下，显著提升了探测器的纯净度和长期稳定性。
• 采用500 ppm Gd-硫酸盐掺杂水的中子 veto 系统，有效抑制了放射性中子本底。
• 来自多个单能线（2.8 keV至236.2 keV）的校准数据被增益校准模型良好描述，证实了探测器响应的一致性。