[论文解读] The XLZD Design Book: Towards the Next-Generation Liquid Xenon Observatory for Dark Matter and Neutrino Physics

XLZD Collaboration, J. Aalbers+442 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

XLZD 设计书提出一个下一代60–80吨液态 xenon TPC（XLZD），以探测WIMP暗物质直至中微子雾区，寻找Xe-136的零中微子双β衰变，并研究天体物理中微子。它概述了基线设计、科学目标，以及背景和系统误差的缓解策略。

ABSTRACT

This report describes the experimental strategy and technologies for XLZD, the next-generation xenon observatory sensitive to dark matter and neutrino physics. In the baseline design, the detector will have an active liquid xenon target of 60 tonnes, which could be increased to 80 tonnes if the market conditions for xenon are favorable. It is based on the mature liquid xenon time projection chamber technology used in current-generation experiments, LZ and XENONnT. The report discusses the baseline design and opportunities for further optimization of the individual detector components. The experiment envisaged here has the capability to explore parameter space for Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) dark matter down to the neutrino fog, with a 3$σ$ evidence potential for WIMP-nucleon cross sections as low as $3 imes10^{-49} m\,cm^2$ (at 40 GeV/c$^2$ WIMP mass). The observatory will also have leading sensitivity to a wide range of alternative dark matter models. It is projected to have a 3$σ$ observation potential of neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe at a half-life of up to $5.7 imes 10^{27}$ years. Additionally, it is sensitive to astrophysical neutrinos from the sun and galactic supernovae.

研究动机与目标

• 推动下一代基于液态Xenon的观测站，将暗物质灵敏度推向超越现有极限、进入中微子雾区。
• 评估在暗物质、零中微子双β衰变和天体物理中微子方面的科学潜力。
• 提出一个实际、可扩展的探测器设计（60–80 t LXe 目标），利用成熟的 LXe-TPC 技术。
• 确定实现 XLZD 计划所需的背景控制、净化和测试要求。

提出的方法

• 以 LZ 与 XENONnT 的成熟液态 xenon 时域投影室（LXe-TPC）技术为基础的 XLZD 设计。
• 定义基线探测器，活跃LXe 60–80 吨，基准暴露计划（200 t·y 目标，可扩展至1000 t·y）。
• 优化探测器部件以将阈值、外部/自遮蔽、以及内部放射性污染物（氡、氪）降至最低。
• 实施筛选、净化和缓解策略，以尽可能将背景降至不可避免的中微子背景以下。
• 为长期、大规模测试和风险缓解做好计划，以应对技术挑战。

实验结果

研究问题

• RQ1 在200 t·y 和1000 t·y 暴露下，XLZD 对自旋无关 WIMP-核子横截面的3σ 灵敏度的预测是多少，与当前极限相比如何？
• RQ2 XLZD 是否能在半衰期最多为5.7×10^27 年的 Xe-136 上观测到3σ水平的零中微子双β衰变？
• RQ3 在60–80 t LXe 目标下，XLZD 发现并研究天体物理中微子（太阳、大气、银河系超新星）有何能力？
• RQ4 限制 XLZD 覆盖面的背景和技术风险是什么，提出了哪些缓解策略？
• RQ5 中微子雾区如何影响 WIMPs 与其他新物理的发现潜力？

主要发现

• XLZD 目标在200 t·y 暴露基线下，以3σ发现潜力达到3×10^-49 cm^2（在40 GeV/c^2）对于自旋-无关WIMP-核子横截面，且暴露增加可获得更高的灵敏度。
• 该观测站预计可在 Xe-136 的零中微子双β衰变上达到3σ观测潜力，半衰期高达5.7×10^27 年。
• XLZD 利用成熟的 LXe-TPC 技术，能够实现包括大气、太阳和银河超新星中微子的广泛科学计划。
• 设计目标实现强自屏蔽、低内部背景（氡/氪）以及最小化探测器相关的意外 coincidences，以达到中微子背景受限的灵敏度。
• 具有风险意识的计划包括及早长期的大规模测试，以缓解技术风险并优化性能。