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

技術要約：DArTを用いた大気アルゴン中の$^{39}$Ar比放射能能の測定

問題提起
液体アルゴン（LAr）は、そのスケーラビリティとパルス形状弁別能力により、直接ダークマター探索における主要なターゲットとなっている。しかし、大気アルゴン（AAr）には宇宙線生成同位体である$^{39}$Arが含まれており、これは約1 Bq/kgの放射能を持つ$\beta$放出体である。この固有のバックグラウンドは、大規模実験の感度を制限する要因となる。大気アルゴンの比放射能能（$a_{AAr}$）に関する既知の測定値は存在するものの、数百または数千トン規模のLArを用いる将来の実験においては、この値を精密に決定する必要がある。なぜなら、比放射能能のわずかな不確かさが、全放射性崩壊率の大きな不確かさにつながるからである。さらに、$^{39}$Arは地下水や氷の年代測定にも使用されており、参照値の不確かさは算出される年代に直接波及する。

手法
著者らは、スペインのカンフランク地下実験室（LSC）に設置された、コンパクトな単相液体アルゴン検出器であるDArT検出器を利用した。DArTは、波長シフト剤TPBで内面をコーティングし、2つの極低温シリコン光増倍管（SiPM）で読み出す、高さ約169 mm、直径約85.5 mmの有効体積を持つ円筒形の高純度無酸素銅（OFHC）容器を特徴とする。

測定戦略は、バックグラウンド・シミュレーションへの依存性を最小限に抑えるために、差分アプローチに基づいている：

1. 参照サンプル： 検出器をまず、DarkSide-50実験から提供された地下アルゴン（UAr）のサンプルで満たした。このサンプルは、既知の無視できるほど低い$^{39}$Ar放射能（$0.71 \pm 0.11$ mBq/kg）を有しており、低バックグラウンドの参照として機能する。
2. ターゲットサンプル： その後、検出器を大気アルゴン（AAr）で満たした。
3. 較正とモニタリング： エネルギースケールと光量（$\sim$0.39 PE/keV）を確立するために、$^{137}$Cs線源を用いて検出器応答を較正した。純度は、窒素汚染がppmレベル未満であることを確認するために、シンチレーション・トリプレット時定数（$\tau_{slow}$）を測定することでモニタリングした。
4. 解析手法： 比放射能能を抽出するために、2つの独立した手法を用いた：
   • カット・アンド・カウント法： 定義されたエネルギー窓（$<250$ PE）内でのUArイベント率（ライブタイムでスケーリングしたもの）をAArイベント率から直接減算し、シミュレーションから導出された選択効率による補正を行った。
   • ビン化最大尤度適合法： $Q_{tot}$（全電荷）スペクトル（5–300 PEの範囲）の拡張適合を行い、UArスペクトルをバックグラウンド成分として扱い、$^{39}$Ar信号をシミュレーション・テンプレートとして扱った。スペクトルの形状に関する系統的な不確かさは、現象論的な電荷応答補正を用いて対処した。

主な貢献

• 堅牢なバックグラウンド減算： バックグラウンド・シミュレーションのみに頼るのではなく、物理的に測定されたUArサンプルを参照として用いることで、系統的な不確かさを低減している。
• 検出器の検証： 極低温SiPM読み出しおよび機械的構造を含むDArT検出器の設計を検証し、DArTInArDMプロジェクトにおける重要なコンポーネントとしての地位を確立した。
• 包括的な系統誤差評価： SiPMゲイン較正、光収集の非対称性、電子ノイズ、および潜在的なラドン汚染を含む、詳細な系統誤差の内訳を提供している。

結果
本研究は、両方の解析手法を用いて、大気アルゴン中の$^{39}$Arの比放射能能を報告しており、これらは一致した結果を示した：

• カット・アンド・カウント法： $a_{AAr} = 0.955 \pm 0.003 \text{ (stat)} \pm 0.007 \text{ (syst)} \text{ Bq/kg}$
• 尤度適合法： $a_{AAr} = 0.954 \pm 0.015 \text{ Bq/kg}$（全不確かさ）

著者らは、$^{39}$Ar $\beta$スペクトルの理論的な形状への依存性が小さいことから、カット・アンド・カウントの結果を最終値として採用した。最終結果は以下の通りである：
$$a_{AAr} = 0.955 \pm 0.008 \text{ Bq/kg}$$
この値は、DEAP-3600、WARP、ArDMなどの実験による過去の測定値と一致している。

意義
本論文は、この結果が大気アルゴン中の$^{39}$Ar比放射能能に関して、現在までに得られた中で最も精密な決定であることを主張している。その全不確かさは、従来の最も精密な測定（DEAP-3600）よりも約3倍小さい。この精度は、以下の事項において極めて重要である：

• ダークマター実験： DarkSide-20kやLEGEND-1000のような、今後の大規模LAr実験に向けたトリガーシステムの設計、バックグラウンドモデル、および感度予測に情報を提供する。
• アルゴン精製： 将来の実験に使用するために、深部地下の井戸（例：コロラド州）から抽出されたアルゴンの$^{39}$Ar放射能を評価するためのDArT検出器の能力を検証する。
• 地質年代学： $^{39}$Arを用いた地下水や氷の年代測定のための、洗練された参照値を提供する。

著者らは、この結果が、DArTInArDMプロジェクトの文脈における将来の放射能評価のための信頼できるツールとして、DArT検出器を検証したものであると強調している。