Searching for Dark Ma0er with MiniCLEAN Chris Benson - PowerPoint PPT Presentation

Searching ¡for ¡Dark ¡Ma0er ¡with ¡ MiniCLEAN ¡ ¡ Chris ¡Benson ¡ PHYS ¡290E ¡ Wednesday, ¡18 ¡November ¡2015 ¡ UC ¡Berkeley ¡ ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 1 ¡

Outline ¡ • Dark ¡Ma0er ¡MoOvaOon ¡ • MiniCLEAN ¡Concept ¡ – Design ¡ – Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡ – Background ¡quanOficaOon ¡ ¡ • MiniCLEAN ¡Status ¡ – Commissioning ¡Status ¡ – Science ¡Plan ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 2 ¡

Dark ¡Ma0er ¡MoOvaOon ¡ • Strong ¡moOvaOon ¡for ¡a ¡ parOcle ¡form ¡of ¡dark ¡ma0er ¡ ¡ – GalacOc ¡rotaOon ¡curves ¡ – Bullet ¡cluster ¡ – GravitaOonal ¡lensing ¡ • WIMP ¡ – W eakly ¡ I nteracOng ¡ M assive ¡ P arOcle ¡ ¡ Bullet ¡Cluster ¡ NASA/CXC/CfA/M.Markevitch ¡et ¡al. ¡ – A ¡potenOal ¡parOcle ¡of ¡dark ¡ ma0er ¡well ¡moOvated ¡by ¡ SUSY ¡is ¡the ¡lightest ¡ supersymmetric ¡parOcle ¡ (LSP) ¡ • A ¡subset ¡of ¡searches, ¡direct ¡ detecOon, ¡look ¡for ¡nuclear ¡ recoils ¡in ¡a ¡target ¡medium ¡ h0ps://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 3 ¡

The ¡CLEAN ¡Philosophy ¡ C ryogenic ¡ L ow-­‑ E nergy ¡ A strophysics ¡with ¡ N oble ¡Liquids ¡ • ¡ Simple ¡and ¡Scalable ¡Design ¡ ¡ • – Single ¡phase, ¡zero ¡E&B ¡field ¡ – 4π ¡coverage ¡in ¡a ¡spherical ¡geometry ¡with ¡PMTs ¡to ¡maximize ¡light ¡collecOon. ¡ ¡ Low ¡Background ¡ • – Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡(PSD) ¡ – Self ¡shielding ¡via ¡fiducializaOon ¡ ¡ Target ¡Exchange ¡ • – Liquid ¡Argon ¡and ¡Liquid ¡Neon ¡ – Intrinsic ¡background ¡removal, ¡dark ¡ma0er ¡nuclei ¡sca0ering ¡dependence, ¡p-­‑p ¡ solar ¡neutrinos ¡with ¡neon ¡ ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 4 ¡

MiniCLEAN ¡Design ¡ Fiducial ¡Volume ¡ • 150 ¡kg ¡of ¡liquid ¡Argon ¡ ¡ • ¡ Target ¡Volume ¡ ¡ • 500 ¡kg ¡of ¡liquid ¡Argon ¡ • ¡ TPB ¡Wavelength ¡Shider ¡Boundary ¡ • Shids ¡UV ¡scinOllaOon ¡light ¡to ¡visible ¡ • ¡ OpOcal ¡modules ¡containing: ¡ • An ¡acrylic ¡plug ¡a0ached ¡to ¡a ¡light ¡ • guide ¡and ¡coupled ¡to ¡PMTs. ¡ 92 ¡total ¡PMTs ¡ • ¡ Outer ¡Vessel ¡(OV) ¡cryostat ¡at ¡vacuum ¡for ¡ • thermal ¡insulaOon. ¡ ¡ Water ¡shielding ¡to ¡a0enuate ¡external ¡ • neutron ¡background. ¡ ¡ Located ¡at ¡SNOLAB, ¡Sudbury ¡Canada ¡to ¡ • a0enuate ¡muon ¡induced ¡events. ¡ Cartoon ¡representaOon ¡of ¡the ¡MiniCLEAN ¡experiment ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 5 ¡

MiniCLEAN ¡Design ¡ConOnued ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 6 ¡

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Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡ PSD ¡references: ¡ McKinsey ¡& ¡Coakley, ¡Astropart. ¡Phys. ¡22, ¡355 ¡(2005) ¡ Boulay ¡and ¡Hime, ¡Astropart. ¡Phys. ¡25, ¡179 ¡(2006) ¡ LippincoH ¡et ¡al., ¡Phys.Rev.C ¡78: ¡035801 ¡(2008) ¡ Energy ¡deposited ¡by ¡electron ¡or ¡nuclear ¡recoil ¡excited ¡and ¡ionizes ¡ • molecules. ¡ These ¡molecules ¡combine ¡with ¡unexcited ¡and ¡unionized ¡molecules, ¡ • forming ¡dimer ¡pairs. ¡ Dimer ¡pairs ¡decay ¡by ¡emigng ¡photons ¡with ¡characterisOc ¡lifeOmes ¡ • Nuclear ¡recoils ¡– ¡mostly ¡prompt ¡light ¡(Argon ¡– ¡6ns, ¡Neon ¡2.2 ¡ns) ¡ • Electron ¡recoils ¡– ¡mostly ¡late ¡light ¡(Argon ¡– ¡1.59 ¡μs, ¡Neon ¡– ¡15 ¡μs) ¡ ¡ • 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 8 ¡

Pulse ¡Shape ¡DiscriminaOon ¡ DEAP-­‑1 ¡arXiv:0904.2930 ¡ MicroCLEAN ¡Phys. ¡Rev. ¡C78, ¡035801 ¡(2008) ¡ Use ¡fracOon ¡of ¡prompt ¡light ¡in ¡signal ¡to ¡discriminate ¡nuclear ¡and ¡electron ¡ • recoils. ¡ (Astropart ¡Phys. ¡25, ¡179 ¡(2006)) ¡ • Using ¡results ¡from ¡DEAP-­‑1 ¡in ¡Argon, ¡expect ¡3x10 -­‑8 ¡rejecOon ¡of ¡electronic ¡ recoil ¡events. ¡ • Predict ¡an ¡enhancement ¡to ¡~10 -­‑10 ¡rejecOon ¡in ¡MiniCLEAN ¡through ¡use ¡of ¡ Bayesian ¡separaOon ¡techniques. ¡ (Astropart. ¡Phys. ¡65, ¡40 ¡(2015)) ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 9 ¡

RAT ¡-­‑ ¡A ¡Monte ¡Carlo ¡SimulaOon ¡ Package ¡ RAT ¡is ¡a ¡Geant4 ¡based ¡Monte ¡Carlo ¡ • simulaOon ¡package ¡ ¡ • Detailed ¡microphysical ¡model ¡ Detector ¡geometry ¡and ¡materials. ¡ – Argon ¡scinOllaOon ¡and ¡TPB ¡reemission. ¡ – Internal ¡and ¡external ¡backgrounds ¡ – Data ¡acquisiOon ¡chain ¡ – ¡ • Read ¡in ¡Data ¡for ¡reconstrucOon ¡ Processors ¡built ¡and ¡tested ¡with ¡Monte ¡ – Carlo ¡are ¡directly ¡applied ¡to ¡data. ¡ ¡ Analysis ¡chain ¡almost ¡ready ¡for ¡data ¡ – processing. ¡ • Parameters ¡are ¡database ¡controlled. ¡ ¡ • Allows ¡for ¡modular ¡simulaOon ¡and ¡ analysis. ¡ A ¡rendering ¡of ¡the ¡MiniCLEAN ¡detector ¡geometry ¡in ¡RAT ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 10 ¡

Backgrounds ¡in ¡MiniCLEAN ¡ www.snolab.ca ¡ MiniCLEAN ¡located ¡at ¡SNOLAB, ¡ the ¡world’s ¡2 nd ¡deepest ¡lab. ¡We ¡ expect ¡very ¡low ¡muon ¡induced ¡ backgrounds. ¡ ¡ 11 ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡

39 Ar ¡– ¡Background ¡and ¡Spike ¡ Natural ¡Argon ¡contains ¡a ¡ • sizeable ¡component ¡of ¡ 39 Ar. ¡ ¡ 39 Ar ¡becomes ¡a ¡substanOal ¡ • background ¡if ¡unable ¡to ¡reject. ¡ A ¡major ¡objecOve ¡of ¡MiniCLEAN ¡ • is ¡to ¡demonstrate ¡the ¡efficacy ¡of ¡ PSD ¡to ¡reject ¡large ¡quanOOes ¡of ¡ 39 Ar ¡at ¡levels ¡consistent ¡witha ¡ mulO-­‑ton ¡equivalent ¡detector. ¡ To ¡demonstrate ¡scalability ¡of ¡ • PSD, ¡we ¡will ¡ spike ¡MiniCLEAN ¡ with ¡ 39 Ar. ¡ ¡ h0p://web.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/images/argon.gif ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 12 ¡

Neutron ¡Backgrounds ¡ • Ader ¡cuts ¡and ¡PSD, ¡neutrons ¡from ¡ decays ¡in ¡the ¡PMTs ¡are ¡dominant ¡ background. ¡ • InvesOgaOng ¡methods ¡to ¡reject ¡mulOple ¡ sca0er ¡neutrons. ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 13 ¡

MiniCLEAN ¡Concept: ¡Signal ¡VerificaOon ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 14 ¡

MiniCLEAN ¡ConstrucOon ¡ • Inner ¡vessel ¡completed ¡ summer ¡2014 ¡ ¡ • Warm ¡gas ¡ PMT ¡tests ¡ were ¡ successful ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 15 ¡

Moving ¡Inner ¡Vessel ¡For ¡Final ¡InstallaOon ¡– ¡Nov ¡2014 ¡ With ¡IV ¡completed ¡and ¡infrastructure ¡ in ¡the ¡Cube ¡Hall ¡in ¡place, ¡moved ¡the ¡ IV ¡down ¡the ¡hall. ¡ ¡ Figng ¡through ¡the ¡doors ¡was ¡a ¡li0le ¡ tricky… ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 16 ¡

Detector ¡ConstrucOon: ¡Inner ¡Vessel ¡into ¡Outer ¡Vessel ¡ CriOcal ¡lid ¡of ¡IV ¡into ¡OV. ¡ ¡ SNOLAB ¡installaOon ¡group ¡did ¡a ¡great ¡job, ¡and ¡ everything ¡went ¡smoothly. ¡ ¡ Ader ¡the ¡lid, ¡took ¡vacuum ¡data ¡to ¡verify ¡PMTs ¡ were ¡all ¡sOll ¡working. ¡Everything ¡looked ¡great! ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 17 ¡

Deck ¡Layout ¡and ¡InstallaOon ¡ MiniCLEAN ¡OV ¡in ¡ DEAP-­‑3600 ¡ Water ¡Tank ¡ I ¡had ¡fun ¡designing ¡the ¡MiniCLEAN ¡deck ¡ layout ¡summer ¡2014. ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 18 ¡

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Gas ¡PurificaOon ¡and ¡Data ¡AcquisiOon ¡System ¡ • Argon ¡scinOllaOon ¡light ¡is ¡very ¡ sensiOve ¡to ¡quenching ¡by ¡ impuriOes. ¡ ¡ • Boil-­‑off ¡Argon ¡gas ¡is ¡feed ¡into ¡ purificaOon ¡system ¡where ¡it ¡is ¡ purified ¡using ¡a ¡SAES ¡Ge0er ¡and ¡ Charcoal ¡trap. ¡ ¡ • Gas ¡purity ¡check ¡with ¡RGA. ¡ 11/18/2015 ¡ PHYS ¡290E ¡ 20 ¡