DarkSide-20k: A 20 Tonne Two-Phase LAr TPC for Direct Dark Matter Detection at LNGS
C. E. Aalseth, F. Acerbi, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. Alici, A. K. Alton, P. Antonioli, S. Arcelli, R. Ardito, I. J. Arnquist, D. M. Asner,… 展开作者
C. E. Aalseth, F. Acerbi, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. Alici, A. K. Alton, P. Antonioli, S. Arcelli, R. Ardito, I. J. Arnquist, D. M. Asner, M. Ave, H. O. Back, A. I. Barrado Olmedo, G. Batignani, E. Bertoldo, S. Bettarini, M. G. Bisogni, V. Bocci, A. Bondar, G. Bonfini, W. Bonivento, M. Bossa, B. Bottino, M. Boulay, R. Bunker, S. Bussino, A. Buzulutskov, M. Cadeddu, M. Cadoni, A. Caminata, N. Canci, A. Candela, C. Cantini, M. Caravati, M. Cariello, M. Carlini, M. Carpinelli, A. Castellani, S. Catalanotti, V. Cataudella, P. Cavalcante, S. Cavuoti, R. Cereseto, A. Chepurnov, C. Cicalò, L. Cifarelli, M. Citterio, A. G. Cocco, M. Colocci, S. Corgiolu, G. Covone, P. Crivelli, I. D'Antone, M. D'Incecco, D. D'Urso, M. D. Da Rocha Rolo, M. Daniel, S. Davini, A. de Candia, S. De Cecco, M. De Deo, G. De Filippis, G. De Guido, G. De Rosa, G. Dellacasa, M. Della Valle, P. Demontis, A. Derbin, A. Devoto, F. Di Eusanio, G. Di Pietro, C. Dionisi, A. Dolgov, I. Dormia, S. Dussoni, A. Empl, M. Fernandez Diaz, A. Ferri, C. Filip, G. Fiorillo, K. Fomenko, D. Franco, G. E. Froudakis, F. Gabriele, A. Gabrieli, C. Galbiati, P. Garcia Abia, A. Gendotti, A. Ghisi, S. Giagu, P. Giampa, G. Gibertoni, C. Giganti, M. A. Giorgi, G. K. Giovanetti, M. L. Gligan, A. Gola, O. Gorchakov, A. M. Goretti, F. Granato, M. Grassi, J. W. Grate, G. Y. Grigoriev, M. Gromov, M. Guan, M. B. B. Guerra, M. Guerzoni, M. Gulino, R. K. Haaland, A. Hallin, B. Harrop, E. W. Hoppe, S. Horikawa, B. Hosseini, D. Hughes, P. Humble, E. V. Hungerford, An. Ianni, C. Jillings, T. N. Johnson, K. Keeter, C. L. Kendziora, S. Kim, G. Koh, D. Korablev, G. Korga, A. Kubankin, M. Kuss, M. Kuźniak, B. Lehnert, X. Li, M. Lissia, G. U. Lodi, B. Loer, G. Longo, P. Loverre, R. Lussana, L. Luzzi, Y. Ma, A. A. Machado, I. N. Machulin, A. Mandarano, L. Mapelli, M. Marcante, A. Margotti, S. M. Mari, M. Mariani, J. Maricic, C. J. Martoff, M. Mascia, M. Mayer, A. B. McDonald, A. Messina, P. D. Meyers, R. Milincic, A. Moggi, S. Moioli, J. Monroe, A. Monte, M. Morrocchi, B. J. Mount, W. Mu, V. N. Muratova, S. Murphy, P. Musico, R. Nania, A. Navrer Agasson, I. Nikulin, V. Nosov, A. O. Nozdrina, N. N. Nurakhov, A. Oleinik, V. Oleynikov, M. Orsini, F. Ortica, L. Pagani, M. Pallavicini, S. Palmas, L. Pandola, E. Pantic, E. Paoloni, G. Paternoster, V. Pavletcov, F. Pazzona, S. Peeters, K. Pelczar, L. A. Pellegrini, N. Pelliccia, F. Perotti, R. Perruzza, V. Pesudo Fortes, C. Piemonte, F. Pilo, A. Pocar, T. Pollmann, D. Portaluppi, D. A. Pugachev, H. Qian, B. Radics, F. Raffaelli, F. Ragusa, M. Razeti, A. Razeto, V. Regazzoni, C. Regenfus, B. Reinhold, A. L. Renshaw, M. Rescigno, F. Retière, Q. Riffard, A. Rivetti, S. Rizzardini, A. Romani, L. Romero, B. Rossi, N. Rossi, A. Rubbia, D. Sablone, P. Salatino, O. Samoylov, E. Sánchez García, W. Sands, M. Sant, R. Santorelli, C. Savarese, E. Scapparone, B. Schlitzer, G. Scioli, E. Segreto, A. Seifert, D. A. Semenov, A. Shchagin, L. Shekhtman, E. Shemyakina, A. Sheshukov, M. Simeone, P. N. Singh, P. Skensved, M. D. Skorokhvatov, O. Smirnov, G. Sobrero, A. Sokolov, A. Sotnikov, F. Speziale, R. Stainforth, C. Stanford, G. B. Suffritti, Y. Suvorov, R. Tartaglia, G. Testera, A. Tonazzo, A. Tosi, P. Trinchese, E. V. Unzhakov, A. Vacca, E. Vázquez-Jáuregui, M. Verducci, T. Viant, F. Villa, A. Vishneva, B. Vogelaar, M. Wada, J. Wahl, J. Walding, S. Walker, H. Wang, Y. Wang, A. W. Watson, S. Westerdale, R. Williams, M. M. Wojcik, S. Wu, X. Xiang, X. Xiao, C. Yang, Z. Ye, A. Yllera de Llano, F. Zappa, G. Zappalà, C. Zhu, A. Zichichi, M. Zullo, A. Zullo
发表信息：
Aalseth, C.E., Acerbi, F., Agnes, P. et al. Eur. Phys. J. Plus (2018) 133: 131
在操作DarkSide-50探测器的成功经验的基础上，DarkSide合作组织将建造DarkSide-20 k，这是一种直接WIMP搜索探测器，使用两相液体氩时间投影室（LArTPC），有效（基准）质量为23 t（20 t）。DarkSide-20 k LArTPC将被部署在一个护盾/否决器内，在圆柱形的水切伦科夫否决器（WCV）内有一个球形的液体闪烁器否决器（LSV）。DarkSide-50的运行表明，在应用脉冲形状分析之前，当使用从地下源提取的氩时，占主导地位的$^{39}$ Ar背景显著降低。从DarkSide-50的数据，与MC模拟和分析建模相结合，显示了一个拒绝因子之间的歧视$\gt3\times10^9$的电子和核反冲是可以实现的。这与否决系统的使用一起，是解锁大LArTPC探测器质量的关键，同时保持“无仪器背景”实验，在计划曝光期间，在WIMP搜索区域内预计发生不到0.1个事件（PDMATHAMO引起的核反冲除外）的实验。DarkSide-20 k将具有比原位测量的超低背景。对于$1$ TeV $/c^2$（$10$ TeV $/c^2$）质量的WIMP，这将给出$1.2\times10^{-47}$ cm $^2$（$1.1\times10^{-46}$ cm $^2$）的WIMP-核子截面的灵敏度，在5年运行期间产生100 t/年的无任何仪器背景的曝光。DarkSide-20 k可以将其运行时间延长至10年，将暴露量增加至200吨/年，对$1$ TeV $/c^2$（$10$ TeV $/c^2$）质量的WIMP的灵敏度达到$7.4\times10^{-48}$ cm $^2$（$6.9\times10^{-47}$ cm $^2$）。
英文摘要：
Building on the successful experience in operating the DarkSide-50 detector, the DarkSide Collaboration is going to construct DarkSide-20k, a direct WIMP search detector using a two-phase Liquid Argon Time Projection Chamber (LArTPC) with an active (fiducial) mass of 23 t (20 t). The DarkSide-20k LArTPC will be deployed within a shield/veto with a spherical Liquid Scintillator Veto (LSV) inside a cylindrical Water Cherenkov Veto (WCV). Operation of DarkSide-50 demonstrated a major reduction in the dominant $^{39}$Ar background when using argon extracted from an underground source, before applying pulse shape analysis. Data from DarkSide-50, in combination with MC simulation and analytical modeling, shows that a rejection factor for discrimination between electron and nuclear recoils of $\gt3\times10^9$ is achievable. This, along with the use of the veto system, is the key to unlocking the path to large LArTPC detector masses, while maintaining an "instrumental background-free" experiment, an experiment in which less than 0.1 events (other than $ν$-induced nuclear recoils) is expected to occur within the WIMP search region during the planned exposure. DarkSide-20k will have ultra-low backgrounds than can be measured in situ. This will give sensitivity to WIMP-nucleon cross sections of $1.2\times10^{-47}$ cm$^2$ ($1.1\times10^{-46}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass, to be achieved during a 5 yr run producing an exposure of 100 t yr free from any instrumental background. DarkSide-20k could then extend its operation to a decade, increasing the exposure to 200 t yr, reaching a sensitivity of $7.4\times10^{-48}$ cm$^2$ ($6.9\times10^{-47}$ cm$^2$) for WIMPs of $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) mass.
暗边是一个直接探测暗物质的计划，基于两个阶段的时间投影室与耗尽氩靶。暗面探测器的设计，使用新的低本底技术和主动屏蔽，能够证明在现场一个非常低的残留本底水平。这意味着DarkSide计划中的每个探测器都应该有能力根据对一些核反冲事件的观察，对暗物质探测做出令人信服的声明。该合作目前正在意大利Gran Sasso的Nazionali del Gran Sasso运营一个10公斤的原型探测器DarkSide-10，而该计划中的第一个物理探测器DarkSide-50预计将于2012年底部署在LNGS。
Proto-0: a prototype for validating key technologies of the DarkSide-20k experiment and beyond
Università degli Studi Federico II di Napoli（那不勒斯费德里科二世大学）；Gran Sasso Science Institute（格兰萨索科学研究所）；INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso（意大利国家核物理研究所格兰萨索国家实验室）；INFN Laboratori Nazionali del Sud（意大利国家核物理研究所南方国家实验室）；National Research Nuclear University MEPhI（莫斯科国立核研究大学）；Sapienza Università di Roma（罗马第一大学）；Nicolaus Copernicus Astronomical Center, Polish Academy of Sciences（波兰科学院尼古拉·哥白尼天文学中心）；National Research Centre Kurchatov Institute（库尔恰托夫国家研究中心）
A study of events with photoelectric emission in the DarkSide-50 liquid argon Time Projection Chamber
在粒子探测器中寻找暗物质相互作用的明确证据是物理学研究的一个主要目标。液态氩时间投影室提供了一条探测弱相互作用大质量粒子在原子核上散射截面的路径，直到所谓的中微子层，质量范围从几个GeV到几个TeV。在LNGS DarkSide-50探测器成功运行的基础上，设计了一个新的、更灵敏的实验DarkSide-20 k，目前正在建造中。对DarkSide-50探测器响应的透彻理解，以及因此对所有类型的观测事件的透彻理解，对于新实验的最佳设计至关重要。在本文中，我们报告了一组特殊的事件，这是不用于暗物质搜索。也就是说，在小于最大漂移时间的时间窗口中，标准的两脉冲闪烁-电离信号伴随有源自单个或几个电子的小幅度第三脉冲。我们将我们的研究结果与LUX合作组织最近的一篇论文（D. S. Akerib et al. Phys.Rev.D 102，092004）进行了比较。事实上，这两个实验都观察到与阴极光电离有关的事件。从这些事件的测量速率，我们估计的第一次沉积在黑暗面-50阴极上的四苯基丁二烯的量子效率在128 nm左右的波长，在液态氩。此外，两个实验都观察到可能与液体中杂质的光电离有关的事件。每单位长度的光电子发射的概率原来是一个数量级小的DarkSide-50比在LUX。这一结果，加上更大的测量电子寿命，一致地暗示在黑暗面-50比在LUX的污染物浓度较低。
