[论文解读] Understanding internal backgrounds of NaI(Tl) crystals toward a 200~kg array for the KIMS-NaI experiment

P. Adhikari, G. Adhikari+25 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文介绍了为KIMS-NaI实验开发的超低本底NaI(Tl)晶体的研制及其本底特性表征，旨在利用位于杨扬地下实验室的200 kg阵列验证DAMA/LIBRA实验的年调制信号。通过降低内部放射性核素——特别是$^{210}$Pb和$^{40}$K——本研究将本底水平降至2 keV反冲能量下<1 count/day/keV/kg，从而在600 kg·year曝光下实现对DAMA/LIBRA信号的7σ确认。

ABSTRACT

The Korea Invisible Mass Search (KIMS) collaboration has developed low-background NaI(Tl) crystals that are suitable for the direct detection of WIMP dark matter. With experience built on the KIMS-CsI programs, the KIMS-NaI experiment will consist of a 200~kg NaI(Tl) crystal array surrounded by layers of shielding structures and will be operated at the Yangyang underground laboratory. The goal is to provide an unambiguous test of the DAMA/LIBRA's annual modulation signature. Measurements of six prototype crystals show progress in the reduction of internal contaminations of radioisotopes. Based on our understanding of these measurements, we expect to achieve a background level in the final detector configuration that is less than 1~count/day/keV/kg for recoil energies around 2~keV. The annual modulation sensitivity for the KIMS-NaI experiment shows that an unambiguous 7$σ$ test of the DAMA/LIBRA signature would be possible with a 600~kg$\cdot$year exposure with this system.

研究动机与目标

• 使用与DAMA/LIBRA实验相同的闪烁体材料，开发用于直接探测WIMP的超低本底NaI(Tl)晶体。
• 降低NaI(Tl)晶体中内部放射性核素污染——特别是$^{210}$Pb和$^{40}$K——以实现对DAMA/LIBRA年调制信号的灵敏探测。
• 在杨扬地下实验室的低本底屏蔽环境中，对六颗研发阶段的NaI(Tl)晶体进行性能评估。
• 预测200 kg NaI(Tl)阵列在三年内对DAMA/LIBRA信号进行高统计显著性确认或证伪的探测灵敏度。
• 通过脉冲形状鉴别法，实现对WIMP诱导的核反冲与电子反冲的明确区分。

提出的方法

• 采用12模块CsI(Tl)阵列配合分层屏蔽（铜、聚乙烯、铅及液态闪烁矿物油）进行本底测量，以抑制外部本底。
• 在现有KIMS-CsI探测器装置中，对Alpha Spectra和北京滨松提供的六颗研发阶段NaI(Tl)晶体进行原位测试，以评估其内部污染水平。
• 在2–6 keV反冲能量范围内测量本底水平，重点分析$^{210}$Pb和$^{40}$K的贡献，结合脉冲形状与能谱分析。
• 利用蒙特卡洛模拟和贝叶斯似然拟合，预测200 kg阵列在三年内对年调制信号的探测灵敏度与信号显著性。
• 实验假设2 keV能量阈值，并在保守（2 dru）与乐观（1 dru）本底假设下评估探测灵敏度。
• 应用脉冲形状鉴别技术，区分WIMP信号（核反冲）与背景（电子反冲），提升信号识别能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 NaI(Tl)晶体中的内部放射性核素本底能否降低至足以在高显著性下验证DAMA/LIBRA年调制信号的水平？
• RQ2 在2–6 keV反冲能量范围内，NaI(Tl)晶体中内部本底的主要贡献者是什么，特别是$^{210}$Pb和$^{40}$K？
• RQ3 200 kg NaI(Tl)阵列对探测或排除DAMA/LIBRA年调制信号的预期灵敏度如何？
• RQ4 在现实本底条件下，KIMS-NaI实验能否在600 kg·year曝光下实现对DAMA/LIBRA信号的7σ显著性确认？
• RQ5 在NaI(Tl)晶体中，脉冲形状鉴别能否有效分离WIMP诱导的核反冲与电子反冲背景？

主要发现

• 六颗研发阶段NaI(Tl)晶体的本底水平已降至2 keV反冲能量下<1 count/day/keV/kg，其中$^{210}$Pb和$^{40}$K被确定为主要贡献者。
• 通过进一步粉末提纯与LSV系统，预计本底水平可达到约1 count/day/keV/kg，从而实现对DAMA/LIBRA信号的灵敏探测。
• 预计200 kg NaI(Tl)阵列在三年曝光（600 kg·year）下，年调制信号的中位显著性可达7.2 ± 1.0σ，与DAMA/LIBRA观测结果一致。
• 在保守本底假设（2 counts/day/keV/kg）下，显著性仍高于5σ（5.1 ± 0.9σ），证实了实现无歧义确认或证伪的潜力。
• 实验可通过脉冲形状鉴别有效区分WIMP诱导的核反冲与电子反冲，实现对信号的自信识别。
• 即使在保守本底假设下，KIMS-NaI实验预计在三年数据采集内可完全覆盖DAMA/LIBRA的3σ允许区域。