Discrimination of electronic recoils from nuclear recoils in two-phase xenon time projection chambers

被引:21
作者
Akerib, D. S. [1 ,2 ]
Alsum, S. [3 ]
Araujo, H. M. [4 ]
Bai, X. [5 ]
Balajthy, J. [6 ]
Baxter, A. [7 ]
Bernard, E. P. [8 ]
Bernstein, A. [9 ]
Biesiadzinski, T. P. [1 ,2 ]
Boulton, E. M. [8 ,10 ,11 ]
Boxer, B. [7 ]
Bras, P. [12 ]
Burdin, S. [7 ]
Byram, D. [13 ,14 ]
Carmona-Benitez, M. C. [15 ]
Chan, C. [16 ]
Cutter, J. E. [6 ]
de Viveiros, L. [15 ]
Druszkiewicz, E. [17 ]
Fan, A. [1 ,2 ]
Fiorucci, S. [10 ,16 ]
Gaitskell, R. J. [16 ]
Ghag, C. [18 ]
Gilchriese, M. G. D. [10 ]
Gwilliam, C. [7 ]
Hall, C. R. [19 ]
Haselschwardt, S. J. [20 ]
Hertel, S. A. [10 ,21 ,22 ]
Hogan, D. P. [8 ]
Horn, M. [8 ,14 ]
Huang, D. Q. [16 ]
Ignarra, C. M. [1 ,2 ]
Jacobsen, R. G. [8 ]
Jahangir, O. [18 ]
Ji, W. [1 ,2 ]
Kamdin, K. [8 ,10 ]
Kazkaz, K. [9 ]
Khaitan, D. [17 ]
Korolkova, E., V [23 ]
Kravitz, S. [10 ]
Kudryavtsev, V. A. [23 ]
Leason, E. [24 ]
Lenardo, B. G. [6 ,9 ]
Lesko, K. T. [10 ]
Liao, J. [16 ]
Lin, J. [8 ]
Lindote, A. [12 ]
Lopes, M., I [12 ]
Manalaysay, A. [6 ,10 ]
Mannino, R. L. [3 ,25 ]
机构
[1] SLAC Natl Accelerator Lab, 2575 Sand Hill Rd, Menlo Pk, CA 94205 USA
[2] Stanford Univ, Kavli Inst Particle Astrophys & Cosmol, 452 Lomita Mali, Stanford, CA 94309 USA
[3] Univ Wisconsin, Dept Phys, 1150 Univ Ave, Madison, WI 53706 USA
[4] Imperial Coll London, Blackett Lab, High Energy Phys, London SW7 2BZ, England
[5] South Dakota Sch Mines & Technol, 501 East St Joseph St, Rapid City, SD 57701 USA
[6] Univ Calif Davis, Dept Phys, One Shields Ave, Davis, CA 95616 USA
[7] Univ Liverpool, Dept Phys, Liverpool L69 7ZE, Merseyside, England
[8] Univ Calif Berkeley, Dept Phys, Berkeley, CA 94720 USA
[9] Lawrence Livermore Natl Lab, 7000 East Ave, Livermore, CA 94551 USA
[10] Lawrence Berkeley Natl Lab, 1 Cyclotron Rd, Berkeley, CA 94720 USA
[11] Yale Univ, Dept Phys, 217 Prospect St, New Haven, CT 06511 USA
[12] Univ Coimbra, Dept Phys, LIP Coimbra, Rua Larga, P-3004516 Coimbra, Portugal
[13] Univ South Dakota, Dept Phys, 414E Clark St, Vermillion, SD 57069 USA
[14] South Dakota Sci & Technol Author, Sanford Underground Res Facil, Lead, SD 57754 USA
[15] Penn State Univ, Dept Phys, 104 Davey Lab, University Pk, PA 16802 USA
[16] Brown Univ, Dept Phys, 182 Hope St, Providence, RI 02912 USA
[17] Univ Rochester, Dept Phys & Astron, Rochester, NY 14627 USA
[18] UCL, Dept Phys & Astron, Gower St, London WC1E 6BT, England
[19] Univ Maryland, Dept Phys, College Pk, MD 20742 USA
[20] Univ Calif Santa Barbara, Dept Phys, Santa Barbara, CA 93106 USA
[21] Univ Massachusetts, Amherst Ctr Fundamental Interact, Amherst, MA 01003 USA
[22] Univ Massachusetts, Dept Phys, Amherst, MA 01003 USA
[23] Univ Sheffield, Dept Phys & Astron, Sheffield S3 7RH, S Yorkshire, England
[24] Univ Edinburgh, Sch Phys & Astron, SUPA, Edinburgh EH9 3FD, Midlothian, Scotland
[25] Texas A&M Univ, Dept Phys, College Stn, TX 77843 USA
[26] SUNY Albany, Dept Phys, 1400 Washington Ave, Albany, NY 12222 USA
[27] Calif State Univ Stanislaus, Dept Phys, 1 Univ Circle, Turlock, CA 95382 USA
基金
美国国家科学基金会; 英国科学技术设施理事会;
关键词
DARK-MATTER; SCINTILLATION YIELDS; LIQUID ARGON; LIMITS;
D O I
10.1103/PhysRevD.102.112002
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
We present a comprehensive analysis of electronic recoil vs nuclear recoil discrimination in liquid/gas xenon time projection chambers, using calibration data from the 2013 and 2014-2016 runs of the Large Underground Xenon experiment. We observe strong charge-to-light discrimination enhancement with increased event energy. For events with S1 = 120 detected photons, i.e., equivalent to a nuclear recoil energy of similar to 100 keV, we observe an electronic recoil background acceptance of <10(-5) at a nuclear recoil signal acceptance of 50%. We also observe modest electric field dependence of the discrimination power, which peaks at a field of around 300 V/cm over the range of fields explored in this study (50-500 V/cm). In the weakly interacting massive particle search region of S1 = 1- 80 phd, the minimum electronic recoil leakage we observe is (7.3 +/- 0.6) x 10(-4) , which is obtained for a drift field of 240-290 V/cm. Pulse shape discrimination is utilized to improve our results, and we find that, at low energies and low fields, there is an additional reduction in background leakage by a factor of up to 3. We develop an empirical model for recombination fluctuations which, when used alongside the Noble Element Scintillation Technique simulation package, correctly reproduces the skewness of the electronic recoil data. We use this updated simulation to study the width of the electronic recoil band, finding that its dominant contribution comes from electron-ion recombination fluctuations, followed in magnitude of contribution by fluctuations in the S1 signal, fluctuations in the S2 signal, and fluctuations in the total number of quanta produced for a given energy deposition.
引用
收藏
页数:27
相关论文
共 63 条
[1]   A measurement of the scintillation decay time constant of nuclear recoils in liquid xenon with the XMASS-I detector [J].
Abe, K. ;
Hiraide, K. ;
Ichimura, K. ;
Kishimoto, Y. ;
Kobayashi, K. ;
Kobayashi, M. ;
Moriyama, S. ;
Nakahata, M. ;
Ogawa, H. ;
Sato, K. ;
Sekiya, H. ;
Suzuki, T. ;
Takachio, O. ;
Takeda, A. ;
Tasaka, S. ;
Yamashita, M. ;
Yang, B. S. ;
Kim, N. Y. ;
Kim, Y. D. ;
Itow, Y. ;
Kanzawa, K. ;
Masuda, K. ;
Martens, K. ;
Suzuki, Y. ;
Xu, B. D. ;
Miuchi, K. ;
Oka, N. ;
Takeuchi, Y. ;
Kim, Y. H. ;
Lee, K. B. ;
Lee, M. K. ;
Fukuda, Y. ;
Miyasaka, M. ;
Nishijima, K. ;
Fushimi, K. ;
Kanzaki, G. ;
Nakamura, S. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2018, 13
[2]   Improved Limits on Scattering of Weakly Interacting Massive Particles from Reanalysis of 2013 LUX Data [J].
Akerib, D. S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bradley, A. ;
Bramante, R. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Chapman, J. J. ;
Chiller, A. A. ;
Chiller, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
de Viveiros, L. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Faham, C. H. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Gehman, V. M. ;
Ghag, C. ;
Gibson, K. R. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. R. ;
Hanhardt, M. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Ihm, M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lee, C. ;
Lenardo, B. G. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2016, 116 (16)
[3]   Improved modeling of β electronic recoils in liquid xenon using LUX calibration data [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Balajthy, J. ;
Baxter, A. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Boxer, B. ;
Bras, P. ;
Burdin, S. ;
Byram, D. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Cutter, J. E. ;
de Viveiros, L. ;
Druszkiewicz, E. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Gwilliam, C. ;
Hall, C. R. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Jahangir, O. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Korolkova, E., V ;
Kravitz, S. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Leason, E. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Liao, J. ;
Lin, J. ;
Lindote, A. ;
Lopes, M., I ;
Manalaysay, A. ;
Mannino, R. L. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2020, 15 (02)
[4]   Projected WIMP sensitivity of the LUX-ZEPLIN dark matter experiment [J].
Akerib, D. S. ;
Akerlof, C. W. ;
Alsum, S. K. ;
Araujo, H. M. ;
Arthurs, M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Balashov, S. ;
Bauer, D. ;
Belle, J. ;
Beltrame, P. ;
Benson, T. ;
Bernard, E. P. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boast, K. E. ;
Boxer, B. ;
Bras, P. ;
Buckley, J. H. ;
Bugaev, V. V. ;
Burdin, S. ;
Busenitz, J. K. ;
Carels, C. ;
Carlsmith, D. L. ;
Carlson, B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Cherwinka, J. J. ;
Cole, A. ;
Cottle, A. ;
Craddock, W. W. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Dahl, C. E. ;
de Viveiros, L. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edberg, T. K. ;
Edwards, W. R. ;
Fan, A. ;
Fayer, S. ;
Fiorucci, S. ;
Fruth, T. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
van der Grinten, M. G. D. ;
Hall, C. R. .
PHYSICAL REVIEW D, 2020, 101 (05)
[5]   Extending light WIMP searches to single scintillation photons in LUX [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Balajthy, J. ;
Baxter, A. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Boxer, B. ;
Bras, P. ;
Burdin, S. ;
Byram, D. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Cutter, J. E. ;
de Viveiros, L. ;
Druszkiewicz, E. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Gwilliam, C. ;
Hall, C. R. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Jahangir, O. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Korolkova, E. V. ;
Kravitz, S. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Leason, E. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Lin, J. Liao J. ;
Lindote, A. ;
Lopes, M. I. .
PHYSICAL REVIEW D, 2020, 101 (04)
[6]   Improved measurements of the β-decay response of liquid xenon with the LUX detector [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Balajthy, J. ;
Baxter, A. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Boxer, B. ;
Bras, P. ;
Burdin, S. ;
Byram, D. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Cutter, J. E. ;
de Viveiros, L. ;
Druszkiewicz, E. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Gwilliam, C. ;
Hall, C. R. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Jahangir, O. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Korolkova, E., V ;
Kravitz, S. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Leason, E. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Liao, J. ;
Lin, J. ;
Lindote, A. .
PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (02)
[7]   Results of a Search for Sub-GeV Dark Matter Using 2013 LUX Data [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Boxer, B. ;
Bras, P. ;
Burdin, S. ;
Byram, D. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Druszkiewicz, E. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Gwilliam, C. ;
Hall, C. R. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Jahangir, O. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Korolkova, E., V ;
Kravitz, S. ;
Kudryavtsev, V. A. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Liao, J. ;
Lin, J. ;
Lindote, A. ;
Lopes, M., I .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 122 (13)
[8]   Liquid xenon scintillation measurements and pulse shape discrimination in the LUX dark matter detector [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bras, P. ;
Byram, D. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Dobi, A. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. R. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Liao, J. ;
Lindote, A. ;
Lopes, M. I. ;
Manalaysay, A. ;
Mannino, R. L. ;
Marzioni, M. F. ;
McKinsey, D. N. .
PHYSICAL REVIEW D, 2018, 97 (11)
[9]   Calibration, event reconstruction, data analysis, and limit calculation for the LUX dark matter experiment [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bras, P. ;
Byram, D. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. E. Y. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Faham, C. H. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Gehman, V. M. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, G. D. ;
Hall, C. R. ;
Hanhardt, M. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lee, C. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. .
PHYSICAL REVIEW D, 2018, 97 (10)
[10]   83mKr calibration of the 2013 LUX dark matter search [J].
Akerib, D. S. ;
Alsum, S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Beltrame, P. ;
Bernard, E. P. ;
Bernstein, A. ;
Biesiadzinski, T. P. ;
Boulton, E. M. ;
Bras, P. ;
Byram, D. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Currie, A. ;
Cutter, J. E. ;
Davison, T. J. R. ;
Dobi, A. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. N. ;
Fallon, S. R. ;
Fan, A. ;
Fiorucci, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Genovesi, J. ;
Ghag, C. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. R. ;
Hanhardt, M. ;
Haselschwardt, S. J. ;
Hertel, S. A. ;
Hogan, D. P. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ignarra, C. M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Ji, W. ;
Kamdin, K. ;
Kazkaz, K. ;
Khaitan, D. ;
Knoche, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lenardo, B. G. ;
Lesko, K. T. ;
Lindote, A. ;
Lopes, M. I. ;
Manalaysay, A. ;
Mannino, R. L. .
PHYSICAL REVIEW D, 2017, 96 (11)