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

Resumo Técnico: Medição da Atividade Específica de $^{39}$Ar no Argônio Atmosférico com o DArT

Definição do Problema
O argônio líquido (LAr) é um alvo de excelência para buscas diretas de matéria escura devido à sua escalabilidade e capacidades de discriminação de forma de pulso. No entanto, o argônio atmosférico (AAr) contém o isótopo cosmogênico $^{39}$Ar, um emissor $\beta$ com uma atividade de aproximadamente 1 Bq/kg. Este fundo intrínseco limita a sensibilidade de experimentos de grande escala. Embora existam medições anteriores da atividade específica ($a_{AAr}$), futuros experimentos envolvendo centenas ou milhares de toneladas de LAr requerem uma determinação precisa deste valor, pois pequenas incertezas na atividade específica traduzem-se em grandes incertezas nas taxas totais de decaimento radioativo. Além disso, o $^{39}$Ar é utilizado para datar águas subterrâneas e gelo, onde as incertezas de referência propagam-se diretamente para as idades calculadas.

Metodologia
Os autores utilizaram o detector DArT, um instrumento compacto de fase única de argônio líquido localizado no Laboratório Subterrâneo de Canfranc (LSC), na Espanha. O DArT apresenta um vaso cilíndrico de cobre de alta condutividade livre de oxigênio (OFHC) ultra-puro com um volume ativo de $\sim$169 mm de altura e $\sim$85,5 mm de diâmetro, revestido com TPB deslocador de comprimento de onda e lido por dois fotomultiplicadores de silício criogênicos (SiPMs).

A estratégia de medição baseou-se numa abordagem diferencial para minimizar a dependência de simulações de fundo:

1. Amostra de Referência: O detector foi primeiro preenchido com uma amostra de argônio subterrâneo (UAr) proveniente do experimento DarkSide-50. Esta amostra possui uma atividade de $^{39}$Ar conhecida e desprezível ($0,71 \pm 0,11$ mBq/kg) e serve como uma referência de baixo fundo.
2. Amostra Alvo: O detector foi, subsequentemente, preenchido com argônio atmosférico (AAr).
3. Calibração e Monitorização: A resposta do detector foi calibrada utilizando uma fonte de $^{137}$Cs para estabelecer a escala de energia e o rendimento luminoso ($\sim$0,39 PE/keV). A pureza foi monitorizada através da medição da constante de tempo do triplete de cintilação ($\tau_{slow}$) para garantir que a contaminação por nitrogênio permanecesse abaixo do nível de ppm.
4. Técnicas de Análise: Dois métodos independentes foram empregados para extrair a atividade específica:
   • Cut-and-Count (Corte e Contagem): Uma subtração direta da taxa de eventos do UAr (escalada pelo tempo de vida útil) da taxa de eventos do AAr dentro de uma janela de energia definida ($<250$ PE), corrigida pela eficiência de seleção derivada de simulação.
   • Ajuste de Máxima Verosimilhança Binado: Um ajuste estendido do espectro de $Q_{tot}$ (carga total) no intervalo de 5–300 PE, tratando o espectro do UAr como um componente de fundo e o sinal do $^{39}$Ar como um template simulado. As incertezas sistemáticas relativas à forma do espectro foram abordadas através de correções fenomenológicas à resposta de carga.

Principais Contribuições

• Subtração de Fundo Robusta: Ao utilizar uma amostra de UAr fisicamente medida como referência, em vez de depender exclusivamente de simulações de fundo, a medição reduz as incertezas sistemáticas associadas à modelação.
• Validação do Detector: O artigo valida o design do detector DArT, incluindo a leitura de SiPM criogênica e a estrutura mecânica, estabelecendo-o como um componente chave para o projeto DArTInArDM.
• Avaliação Sistemática Abrangente: O estudo fornece uma decomposição detalhada das incertezas sistemáticas, incluindo a calibração de ganho do SiPM, assimetria de recolha de luz, ruído eletrónico e potencial contaminação por radão.

Resultados
O estudo reporta a atividade específica de $^{39}$Ar no argônio atmosférico utilizando ambos os métodos de análise, que produziram 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 Verosimilhança: $a_{AAr} = 0,954 \pm 0,015 \text{ Bq/kg}$ (incerteza total).

Os autores selecionam o resultado do método cut-and-count como o valor final devido à sua menor dependência da forma teórica do espectro $\beta$ do $^{39}$Ar. O resultado final é:
$$a_{AAr} = 0,955 \pm 0,008 \text{ Bq/kg}$$

Este valor é consistente com medições anteriores de experimentos como DEAP-3600, WARP e ArDM.

Significado
O artigo afirma que este resultado fornece a determinação mais precisa da atividade específica de $^{39}$Ar no argônio atmosférico até à data, com uma incerteza total aproximadamente três vezes menor do que a medição mais precisa anterior (DEAP-3600). Esta precisão é crítica para:

• Experimentos de Matéria Escura: Informar o design de sistemas de gatilho (trigger), modelos de fundo e projeções de sensibilidade para futuros experimentos de grande escala de LAr, como DarkSide-20k e LEGEND-1000.
• Purificação de Argônio: Validar a capacidade do detector DArT para ensaiar a atividade de $^{39}$Ar do argônio extraído de poços profundos subterrâneos (ex: no Colorado) para uso em futuros experimentos.
• Geocronologia: Fornecer um valor de referência refinado para a datação de águas subterrâneas e gelo utilizando $^{39}$Ar.

Os autores enfatizam que o resultado valida o detector DArT como uma ferramenta fiável para futuros ensaios de radioatividade no contexto do projeto DArTInArDM.