来自原始放射性核素链不平衡的暗物质搜索本底
天体物理仪器与方法
2013-05-23 v1 仪器与探测器
摘要
弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的暗物质直接探测搜索通常受到放射性同位素衰变产生的中子和伽马本底的灵敏度限制。探测器构建材料中的几种常见放射性同位素存在于长衰变链中，特别是以 238U、235U 和 232Th 为首的衰变链。使用 Ge 探测器进行的伽马放射性分析可识别每条链中少数几种放射性同位素的衰变率，并通常假设链处于长期平衡状态。如果链处于不平衡状态，探测器本底率可能会显著高于预期。在本工作中，我们量化了 238U 衰变链各子链过量导致的中子和伽马产生率的增加。我们发现，在具有高中子产额 (alpha,n) 的材料中，226Ra 子链每衰变产生的中子通量比 238U 早期子链和 210Pb 子链高 10 倍。典型的伽马筛选结果将潜在的 238U 早期子链活度限制为 226Ra 子链活度的 20-60 倍。我们使用蒙特卡洛模拟量化了 238U 子链对简化的一吨级液氩和液氙探测器中低能核反冲（NR）和电子反冲（ER）本底的贡献。在经过可比的基准体积切割和多次散射切割后，发现了氩和氙探测器中由 238U 子链产生的 NR 和 ER 率。研究发现，对于 100 GeV 的 WIMPs，氙探测器相对于中子的信噪比是氩探测器的 12 倍。研究发现，相对于 226Ra 子链，238U 早期子链和 210Pb 子链的过量会导致两种探测器中的 ER 本底微弱增加。本底以 NR 为主的实验对未检测到的 238U 早期子链和 210Pb 子链浓度过量敏感。本底以 ER 为主的实验对这些过量相对不敏感。
引用
@article{arxiv.1305.5183,
title = {Dark Matter Search Backgrounds from Primordial Radionuclide Chain Disequilibrium},
author = {D. C. Malling and S. Fiorucci and M. Pangilinan and J. J. Chapman and C. H. Faham and J. R. Verbus and R. J. Gaitskell},
journal= {arXiv preprint arXiv:1305.5183},
year = {2013}
}
备注
Submitted for publication in Astroparticle Physics. 21 pages, 13 figures