利用多吨级液氙探测器的中微子物理研究

我们研究了大型氙探测器对低能太阳中微子、相干中微子 - 原子核散射以及无中微子双贝塔衰变的灵敏度。作为一个具体示例，我们考虑了拟议的 DARWIN（利用 noble liquids 搜索暗物质 WIMP）实验中的氙部分。我们进行了详细的蒙特卡洛模拟以预测背景，考虑了探测器中真实的能量分辨率和阈值。在灵敏度对太阳 pp 和 $^7$Be-中微子最高的 2-30 keV 低能窗口中，经过 5 年的数据采集，在 14 吨天然氙的基准质量内可达到 5900 个事件的积分 pp-中微子率。因此，pp-中微子通量的测量统计不确定度约为 1%，达到了太阳模型预测的精度。假设对弹性中微子 - 电子散射引起的电子反冲有 99.5% 的抑制率，这些低能太阳中微子将成为 WIMP-核子截面低于 $\sim$2$\times$10$^{-48}$ cm$^2$ 且 WIMP 质量在 50 GeV$\cdot$c$^{-2}$ 左右的暗物质搜索通道的限制背景。来自太阳中微子相干散射的核反冲将限制对质量低于 $\sim$6 GeV$\cdot$c$^{-2}$ 的 WIMP 的灵敏度，使其截面高于 $\sim$4$\times$10$^{-45}$cm$^2$。使用中心探测器区域的 6 吨天然氙，经过 5 年的数据采集，DARWIN 可对 $^{136}$Xe 的无中微子双贝塔衰变达到 5.6$\times$10$^{26}$ y 的竞争性半衰期灵敏度。