DarkSide-20k：用于 LNGS 直接暗物质探测的 20 吨级两相液氩时间投影室

基于 DarkSide-50 探测器成功运行的经验，DarkSide 合作组将建造 DarkSide-20k，这是一个直接 WIMP 搜寻探测器，采用两相液氩时间投影室 (LArTPC)，有效（基准）质量为 23 吨（20 吨）。DarkSide-20k 的 LArTPC 将部署在一个屏蔽/反符合系统内，该系统由一个球形液体闪烁体反符合探测器 (LSV) 置于一个圆柱形水切伦科夫反符合探测器 (WCV) 内部构成。DarkSide-50 的运行表明，在使用从地下源提取的氩气时，在应用脉冲形状分析之前，主要的 $^{39}$Ar 本底已大幅降低。来自 DarkSide-50 的数据，结合蒙特卡洛模拟和解析模型，表明电子反冲与核反冲的鉴别抑制因子可达 $\gt3\times10^9$。这一点，连同反符合系统的使用，是解锁通往大型 LArTPC 探测器质量路径的关键，同时保持一个“无仪器本底”实验，即在计划的曝光期间，预计在 WIMP 搜寻区域内发生少于 0.1 个（由 $\nu$ 引起的核反冲除外）事例。DarkSide-20k 将具有可原位测量的超低本底。这将使其对质量为 $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) 的 WIMP 的 WIMP-核子散射截面灵敏度达到 $1.2\times10^{-47}$ cm$^2$ ($1.1\times10^{-46}$ cm$^2$)，该灵敏度将在产生 100 吨·年无任何仪器本底曝光的 5 年运行期内实现。随后，DarkSide-20k 可将运行时间延长至十年，将曝光量增加到 200 吨·年，从而对质量为 $1$ TeV$/c^2$ ($10$ TeV$/c^2$) 的 WIMP 达到 $7.4\times10^{-48}$ cm$^2$ ($6.9\times10^{-47}$ cm$^2$) 的灵敏度。