Measurement of the $^{39}$Ar specific activity in atmospheric argon with DArT at the Canfranc Underground Laboratory

Resumen Técnico: Medición de la Actividad Específica del $^{39}$Ar en Argón Atmosférico con DArT

Planteamiento del Problema
El argón líquido (LAr) es un objetivo primordial para la búsqueda directa de materia oscura debido a su escalabilidad y sus capacidades de discriminación de la forma de pulso. Sin embargo, el argón atmosférico (AAr) contiene el isótopo cosmogénico $^{39}$Ar, un emisor $\beta$ con una actividad de aproximadamente 1 Bq/kg. Este fondo intrínseco limita la sensibilidad de experimentos a gran escala. Si bien existen mediciones previas de la actividad específica ($a_{AAr}$), los futuros experimentos que involucren cientos o miles de toneladas de LAr requieren una determinación precisa de este valor, ya que las pequeñas incertidumbres en la actividad específica se traducen en grandes incertidumbres en las tasas totales de desintegración radiactiva. Además, el $^{39}$Ar se utiliza para la datación de aguas subterráneas y hielo, donde las incertidumbres de referencia se propagan directamente en las edades calculadas.

Metodología
Los autores utilizaron el detector DArT, un instrumento compacto de una sola fase de argón líquido ubicado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) en España. DArT cuenta con un recipiente cilíndrico de cobre de alta conductividad (OFHC) libre de oxígeno que contiene un volumen activo de $\sim$169 mm de altura y $\sim$85.5 mm de diámetro, revestido con TPB desplazador de longitud de onda y leído por dos fotomultiplicadores de silicio (SiPM) criogénicos.

La estrategia de medición se basó en un enfoque diferencial para minimizar la dependencia de las simulaciones de fondo:

1. Muestra de Referencia: El detector se llenó primero con una muestra de argón subterráneo (UAr) del experimento DarkSide-50. Esta muestra tiene una actividad de $^{39}$Ar conocida y despreciable ($0.71 \pm 0.11$ mBq/kg) y sirve como una referencia de bajo fondo.
2. Muestra Objetivo: Posteriormente, el detector se llenó con argón atmosférico (AAr).
3. Calibración y Monitoreo: La respuesta del detector se calibró utilizando una fuente de $^{137}$Cs para establecer la escala de energía y el rendimiento de luz ($\sim$0.39 PE/keV). La pureza se monitoreó midiendo la constante de tiempo del triplete de centelleo ($\tau_{slow}$) para asegurar que la contaminación por nitrógeno se mantuviera por debajo del nivel de ppm.
4. Técnicas de Análisis: Se emplearon dos métodos independientes para extraer la actividad específica:
   • Cut-and-Count (Recorte y Conteo): Una sustracción directa de la tasa de eventos de UAr (escalada por el tiempo de vida) de la tasa de eventos de AAr dentro de una ventana de energía definida ($<250$ PE), corregida por la eficiencia de selección derivada de la simulación.
   • Ajuste de Máxima Verosimilitud con Binning (Binned Maximum-Likelihood Fit): Un ajuste extendido del espectro de $Q_{tot}$ (carga total) en el rango de 5–300 PE, tratando el espectro de UAr como un componente de fondo y el signo de $^{39}$Ar como un template simulado. Las incertidumbres sistemáticas respecto a la forma del espectro se abordaron mediante correcciones fenomenológicas a la respuesta de carga.

Contribuciones Clave

• Sustracción de Fondo Robusta: Al utilizar una muestra de UAr medida físicamente como referencia en lugar de depender únicamente de simulaciones de fondo, la medición reduce las incertidumbres sistemáticas asociadas al modelado.
• Validación del Detector: El artículo valida el diseño del detector DArT, incluyendo la lectura de SiPM criogénico y la estructura mecánica, estableciéndolo como un componente clave para el proyecto DArTInArDM.
• Evaluación Sistemática Exhaustiva: El estudio proporciona un desglose detallado de las incertidumbres sistemáticas, incluyendo la calibración de la ganancia de los SiPM, la asimetría de la colección de luz, el ruido electrónico y la posible contaminación por radón.

Resultados
El estudio reporta la actividad específica del $^{39}$Ar en argón atmosférico utilizando ambos métodos de análisis, los cuales arrojaron resultados consistentes:

• Método Cut-and-Count: $a_{AAr} = 0.955 \pm 0.003 \text{ (estat)} \pm 0.007 \text{ (sist)} \text{ Bq/kg}$.
• Método de Ajuste de Verosimilitud: $a_{AAr} = 0.954 \pm 0.015 \text{ Bq/kg}$ (incertidumbre total).

Los autores seleccionan el resultado del método cut-and-count como el valor final debido a su menor dependencia de la forma teórica del espectro $\beta$ del $^{39}$Ar. El resultado final es:
$$a_{AAr} = 0.955 \pm 0.008 \text{ Bq/kg}$$

Este valor es consistente con mediciones previas de experimentos como DEAP-3600, WARP y ArDM.

Significancia
El artículo afirma que este resultado proporciona la determinación más precisa de la actividad específica del $^{39}$Ar en argón atmosférico hasta la fecha, con una incertidumbre total aproximadamente tres veces menor que la medición más precisa anterior (DEAP-3600). Esta precisión es crítica para:

• Experimentos de Materia Oscura: Informar el diseño de los sistemas de disparo (trigger), modelos de fondo y proyecciones de sensibilidad para próximos experimentos de LAr a gran escala como DarkSide-20k y LEGEND-1000.
• Purificación de Argón: Validar la capacidad del detector DArT para ensayar la actividad de $^{39}$Ar del argón extraído de pozos profundos subterráneos (por ejemplo, en Colorado) para su uso en futuros experimentos.
• Geocronología: Proporcionar un valor de referencia refinado para la datación de aguas subterráneas y hielo utilizando $^{39}$Ar.

Los autores enfatizan que el resultado valida al detector DArT como una herramienta fiable para el futuro ensayo de radioactividad en el contexto del proyecto DArTInArDM.