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

Technische Samenvatting: Meting van de $^{39}$Ar-specifieke activiteit in atmosferisch argon met DArT

Probleemstelling
Vloeibaar argon (LAr) is een vooraanstaande doelwit voor directe zoektochten naar donkere materie vanwege de schaalbaarheid en de mogelijkheden voor pulsvormdiscriminatie. Echter, atmosferisch argon (AAr) bevat het kosmogene isotoop $^{39}$Ar, een $\beta$-emittent met een activiteit van ongeveer 1 Bq/kg. Deze intrinsieke achtergrond beperkt de gevoeligheid van grootschalige experimenten. Hoewel er eerdere metingen van de specifieke activiteit ($a_{AAr}$) bestaan, vereisen toekomstige experimenten met honderden of duizenden tonnen LAr een precieze bepaling van deze waarde, aangezien kleine onzekerheden in de specifieke activiteit leiden tot grote onzekerheden in de totale radioactieve vervalssnelheden. Bovendien wordt $^{39}$Ar gebruikt voor het dateren van grondwater en ijs, waarbij onzekerheden in de referentie direct doorwerken in de berekende leeftijden.

Methodologie
De auteurs maakten gebruik van de DArT-detector, een compact, single-phase vloeibaar-argon instrument gevestigd in het Canfranc Underground Laboratory (LSC) in Spanje. DArT bestaat uit een cilindrische, ultra-zuivere zuurstofvrije hooggeleidende koperen (OFHC) kamer met een actief volume van $\sim$169 mm hoogte en $\sim$85,5 mm diameter, bekleed met golflengte-verschuivend TPB en uitgelezen door twee cryogene siliciumfotomultipliers (SiPM's).

De meetstrategie vertrouwde op een differentiële aanpak om de afhankelijkheid van achtergrondsimulaties te minimaliseren:

1. Referentievulmonster: De detector werd eerst gevuld met een monster van ondergronds argon (UAr) van het DarkSide-50 experiment. Dit monster heeft een bekende, verwaarloosbare $^{39}$Ar-activiteit ($0,71 \pm 0,11$ mBq/kg) en dient als een achtergrondarm referentiemiddel.
2. Doelmonster: De detector werd vervolgens gevuld met atmosferisch argon (AAr).
3. Kalibratie en Monitoring: De detectorrespons werd gekalibreerd met een $^{137}$Cs-bron om de energieschaal en lichtopbrengst ($\sim$0,39 PE/keV) vast te stellen. De zuiverheid werd gemonitord door de scintillatietripel-tijdconstante ($\tau_{slow}$) te meten om te waarborgen dat de stikstofverontreiniging onder het ppm-niveau bleef.
4. Analysemethoden: Er werden twee onafhankelijke methoden gebruikt om de specifieke activiteit te extraheren:
   • Cut-and-Count: Een directe aftrekking van de UAr-gebeurtenisensnelheid (geschaald naar live-time) van de AAr-gebeurtenisensnelheid binnen een gedefinieerd energievenster ($<250$ PE), gecorrigeerd voor de selectie-efficiëntie afgeleid uit simulaties.
   • Binned Maximum-Likelihood Fit: Een uitgebreide fit van het $Q_{tot}$ (totale lading) spectrum in het bereik 5–300 PE, waarbij het UAr-spectrum wordt behandeld als een achtergrondcomponent en het $^{39}$Ar-signaal als een gesimuleerde template. Systematische onzekerheden met betrekking tot de spectrumvorm werden aangepakt met behulp van fenomenologische correcties voor de ladingsrespons.

Belangrijkste Bijdragen

• Robuuste Achtergrondsubtractie: Door een fysiek gemeten UAr-monster als referentie te gebruiken in plaats van uitsluitend te vertrouwen op achtergrondsimulaties, vermindert de meting de systematische onzekerheden die gepaard gaan met modellering.
• Detector Validatie: Het artikel valideert het DArT-detectordesign, inclusief de cryogene SiPM-uitlezing en mechanische structuur, waarmee het wordt gevestigd als een cruciaal onderdeel voor het DArTInArDM-project.
• Uitgebreide Systematische Evaluatie: De studie biedt een gedetailleerde uitsplitsing van systematische onzekerheden, inclus�eling SiPM-gain kalibratie, lichtcollectie-asymmetrie, elektronische ruis en potentiële radonverontreiniging.

Resultaten
De studie rapporteert de specifieke activiteit van $^{39}$Ar in atmosferisch argon met beide analysemethoden, die consistente resultaten opleverden:

• Cut-and-Count Methode: $a_{AAr} = 0,955 \pm 0,003 \text{ (stat)} \pm 0,007 \text{ (syst)} \text{ Bq/kg}$.
• Likelihood Fit Methode: $a_{AAr} = 0,954 \pm 0,015 \text{ Bq/kg}$ (totale onzekerheid).

De auteurs selecteren het cut-and-count resultaat als de definitieve waarde vanwege de kleinere afhankelijkheid van de theoretische vorm van het $^{39}$Ar $\beta$-spectrum. Het uiteindelijke resultaat is:
$$a_{AAr} = 0,955 \pm 0,008 \text{ Bq/kg}$$

Deze waarde is consistent met eerdere metingen van experimenten zoals DEAP-3600, WARP en ArDM.

Significantie
Het artikel beweert dat dit resultaat de meest precieze bepaling van de $^{39}$Ar-specifieke activiteit in atmosferisch argon tot nu toe is, met een totale onzekerheid die ongeveer drie keer kleiner is dan de voorheen meest precieze meting (DEAP-3600). Deze precisie is cruciaal voor:

• Donkere Materie Experimenten: Het informeren van het ontwerp van triggersystemen, achtergrondmodellen en gevoeligheidsprojecties voor toekomstige grootschalige LAr-experimenten zoals DarkSide-20k en LEGEND-1000.
• Argon Zuivering: Het valideren van de capaciteit van de DArT-detector om de $^{39}$Ar-activiteit te analyseren van argon dat wordt gewonnen uit diepe ondergrondse putten (bijv. in Colorado) voor gebruik in toekomstige experimenten.
• Geochronologie: Het leveren van een verfijnde referentiewaarde voor het dateren van grondwater en ijs met behulp van $^{39}$Ar.

De auteurs benadrukken dat het resultaat de DArT-detector valideert als een betrouwbaar instrument voor toekomstige radioactiviteitsmetingen in de context van het DArTInArDM-project.