Abstract
In dark matter direct detection experiments, neutron is a serious source of background, which can mimic the dark matter-nucleus scattering signals. In this paper, we present an improved evaluation of the neutron background in the PandaX-II dark matter experiment by a novel approach. Instead of fully relying on the Monte Carlo simulation, the overall neutron background is determined from the neutron-induced high energy signals in the data. In addition, the probability of producing a dark-matter-like background per neutron is evaluated with a complete Monte Carlo generator, where the correlated emission of neutron(s) and γ(s) in the (α, n) reactions and spontaneous fissions is taken into consideration. With this method, the neutron backgrounds in the Run 9 (26-ton-day) and Run 10 (28-ton-day) data sets of PandaX-II are estimated to be (0.66±0.24) and (0.47±0.25) events, respectively.
Similar content being viewed by others
References
V. Trimble, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 25, 425 (1987).
M. W. Goodman, and E. Witten, Phys. Rev. D 31, 3059 (1985).
P. Cushman, C. Galbiati, D. N. McKinsey, H. Robertson, T. M. P. Tait, D. Bauer, A. Borgland, B. Cabrera, F. Calaprice, J. Cooley, T. Empl, R. Essig, E. Figueroa-Feliciano, R. Gaitskell, S. Golwala, J. Hall, R. Hill, A. Hime, E. Hoppe, L. Hsu, E. Hungerford, R. Jacobsen, M. Kelsey, R. F. Lang, W. H. Lippincott, B. Loer, S. Luitz, V. Mandic, J. Mardon, J. Maricic, R. Maruyama, R. Mahapatra, H. Nelson, J. Orrell, K. Palladino, E. Pantic, R. Partridge, A. Ryd, T. Saab, B. Sadoulet, R. Schnee, W. Shepherd, A. Sonnenschein, P. Sorensen, M. Szydagis, T. Volansky, M. Witherell, D. Wright, K. Zurek, Working Group Report: WIMP Dark Matter Direct Detection, in Proceedings, 2013 Community Summer Study on the Future of U.S. Particle Physics: Snowmass on the Mississippi (CSS2013): Minneapolis, July 29–August 6, 2013, arXiv: 1310.8327.
J. Liu, X. Chen, and X. Ji, Nat. Phys. 13, 212 (2017), arXiv: 1709.00688.
E. Aprile, and T. Doke, Rev. Mod. Phys. 82, 2053 (2010), arXiv: 0910.4956.
Y. C. Wu, X. Q. Hao, Q. Yue, Y. J. Li, J. P. Cheng, K. J. Kang, Y. H. Chen, J. Li, J. M. Li, Y. L. Li, S. K. Liu, H. Ma, J. B. Ren, M. B. Shen, J. M. Wang, S. Y. Wu, T. Xue, N. Yi, X. H. Zeng, Z. Zeng, and Z. H. Zhu, Chin. Phys. C 37, 086001 (2013).
X. G. Cao, X. Chen, Y. H. Chen, X. Y. Cui, D. Q. Fang, C. B. Fu, K. L. Giboni, H. W. Gong, G. D. Guo, M. He, J. Hu, X. T. Huang, X. D. Ji, Y. L. Ju, S. L. Li, Q. Lin, H. X. Liu, J. L. Liu, X. Liu, W. Lorenzon, Y. G. Ma, Y. J. Mao, K. X. Ni, K. Pushkin, X. X. Ren, M. Schubnell, M. B. Shen, Y. J. Shi, S. Stephenson, A. D. Tan, G. Tarie, H. W. Wang, J. M. Wang, M. Wang, X. M. Wang, Z. Wang, Y. H. Wei, S. Y. Wu, M. J. Xiao, X. Xiao, P. W. Xie, T. Ye, Y. H. You, X. H. Zen, H. Zhang, T. Zhang, H. Y. Zhao, L. Zhao, X. P. Zhou, and Z. H. Zhu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 57, 1476 (2014), arXiv: 1405.2882.
M. J. Xiao, X. Xiao, L. Zhao, X. G. Cao, X. Chen, Y. H. Chen, X. Y. Cui, D. Q. Fang, C. B. Fu, K. L. Giboni, H. W. Gong, G. D. Guo, J. Hu, X. T. Huang, X. D. Ji, Y. L. Ju, S. A. Lei, S. L. Li, Q. Lin, H. X. Liu, J. L. Liu, X. Liu, W. Lorenzon, Y. G. Ma, Y. J. Mao, K. X. Ni, K. Pushkin, X. X. Ren, M. Schubnell, M. B. Shen, S. Stephenson, A. D. Tan, G. Tarlé, H. W. Wang, J. M. Wang, M. Wang, X. M. Wang, Z. Wang, Y. H. Wei, S. Y. Wu, P. W. Xie, Y. H. You, X. H. Zeng, H. Zhang, T. Zhang, and Z. H. Zhu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 57, 2024 (2014).
A. Tan, M. Xiao, X. Cui, X. Chen, Y. Chen, D. Fang, C. Fu, K. Giboni, F. Giuliani, H. Gong, X. Guo, K. Han, S. Hu, X. Huang, X. Ji, Y. Ju, S. Lei, S. Li, X. Li, X. Li, H. Liang, Q. Lin, H. Liu, J. Liu, W. Lorenzon, Y. Ma, Y. Mao, K. Ni, X. Ren, M. Schubnell, M. Shen, F. Shi, H. Wang, J. Wang, M. Wang, Q. Wang, S. Wang, X. Wang, Z. Wang, S. Wu, X. Xiao, P. Xie, B. Yan, Y. Yang, J. Yue, X. Zeng, H. Zhang, H. Zhang, H. Zhang, T. Zhang, L. Zhao, J. Zhou, N. Zhou, and X. Zhou, Phys. Rev. Lett. 117, 121303 (2016), arXiv: 1607.07400.
T. Zhang, C. Fu, X. Ji, J. Liu, X. Liu, X. Wang, C. Yao, and X. Yuan, J. Inst. 11, T09004 (2016), arXiv: 1609.07515.
X. Cui, A. Abdukerim, W. Chen, X. Chen, Y. Chen, B. Dong, D. Fang, C. Fu, K. Giboni, F. Giuliani, L. Gu, Y. Gu, X. Guo, Z. Guo, K. Han, C. He, D. Huang, S. He, X. Huang, Z. Huang, X. Ji, Y. Ju, S. Li, Y. Li, H. Lin, H. Liu, J. Liu, Y. Ma, Y. Mao, K. Ni, J. Ning, X. Ren, F. Shi, A. Tan, C. Wang, H. Wang, M. Wang, Q. Wang, S. Wang, X. Wang, X. Wang, Q. Wu, S. Wu, M. Xiao, P. Xie, B. Yan, Y. Yang, J. Yue, D. Zhang, H. Zhang, T. Zhang, T. Zhang, L. Zhao, J. Zhou, N. Zhou, and X. Zhou, Phys. Rev. Lett. 119, 181302 (2017).
W. B. Wilson, W. B. Wilson, R. T. Perry, W. S. Charlton, T. A. Parish, G. P. Estes, T. H. Brown, E. D. Arthur, M. Bozoian, T. R. England, D. G. Madland, and J. E. Stewart, SOURCES 4A: A Code for Calculating (α, n), Spontaneous Fission, and Delayed Neutron Sources ande Spectra, Technical Report (Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, 1999).
S. Agostinelli, J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis, H. Araujo, P. Arce, M. Asai, D. Axen, S. Banerjee, G. Barrand, F. Behner, L. Bellagamba, J. Boudreau, L. Broglia, A. Brunengo, H. Burkhardt, S. Chauvie, J. Chuma, R. Chytracek, G. Cooperman, G. Cosmo, P. Degtyarenko, A. Dell’Acqua, G. Depaola, D. Dietrich, R. Enami, A. Feliciello, C. Ferguson, H. Fesefeldt, G. Folger, F. Foppiano, A. Forti, S. Garelli, S. Giani, R. Giannitrapani, D. Gibin, J. J. Gómez Cadenas, I. González, G. Gracia Abril, G. Greeniaus, W. Greiner, V. Grichine, A. Grossheim, S. Guatelli, P. Gumplinger, R. Hamatsu, K. Hashimoto, H. Hasui, A. Heikkinen, A. Howard, V. Ivanchenko, A. Johnson, F. W. Jones, J. Kallenbach, N. Kanaya, M. Kawabata, Y. Kawabata, M. Kawaguti, S. Kelner, P. Kent, A. Kimura, T. Kodama, R. Kokoulin, M. Kossov, H. Kurashige, E. Lamanna, T. Lampen, V. Lara, V. Lefebure, F. Lei, M. Liendl, W. Lockman, F. Longo, S. Magni, M. Maire, E. Medernach, K. Minamimoto, P. Mora de Freitas, Y. Morita, K. Murakami, M. Nagamatu, R. Nartallo, P. Nieminen, T. Nishimura, K. Ohtsubo, M. Okamura, S. O’Neale, Y. Oohata, K. Paech, J. Perl, A. Pfeiffer, M. G. Pia, F. Ranjard, A. Rybin, S. Sadilov, E. Di Salvo, G. Santin, T. Sasaki, N. Savvas, Y. Sawada, S. Scherer, S. Sei, V. Sirotenko, D. Smith, N. Starkov, H. Stoecker, J. Sulkimo, M. Takahata, S. Tanaka, E. Tcherniaev, E. Safai Tehrani, M. Tropeano, P. Truscott, H. Uno, L. Urban, P. Urban, M. Verderi, A. Walkden, W. Wander, H. Weber, J. P. Wellisch, T. Wenaus, D. C. Williams, D. Wright, T. Yamada, H. Yoshida, and D. Zschiesche, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 506, 250 (2003).
J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis, H. Araujo, P. Arce Dubois, M. Asai, G. Barrand, R. Capra, S. Chauvie, R. Chytracek, G. A. P. Cirrone, G. Cooperman, G. Cosmo, G. Cuttone, G. G. Daquino, M. Donszelmann, M. Dressel, G. Folger, F. Foppiano, J. Generowicz, V. Grichine, S. Guatelli, P. Gumplinger, A. Heikkinen, I. Hrivnacova, A. Howard, S. Incerti, V. Ivanchenko, T. Johnson, F. Jones, T. Koi, R. Kokoulin, M. Kossov, H. Kurashige, V. Lara, S. Larsson, F. Lei, O. Link, F. Longo, M. Maire, A. Mantero, B. Mascialino, I. McLaren, P. Mendez Lorenzo, K. Minamimoto, K. Murakami, P. Nieminen, L. Pandola, S. Parlati, L. Peralta, J. Perl, A. Pfeiffer, M. G. Pia, A. Ribon, P. Rodrigues, G. Russo, S. Sadilov, G. Santin, T. Sasaki, D. Smith, N. Starkov, S. Tanaka, E. Tcherniaev, B. Tome, A. Trindade, P. Truscott, L. Urban, M. Verderi, A. Walkden, J. P. Wellisch, D. C. Williams, D. Wright, and H. Yoshida, IEEE Trans. Nucl. Sci. 53, 270 (2006).
K. Shibata, O. Iwamoto, T. Nakagawa, N. Iwamoto, A. Ichihara, S. Kunieda, S. Chiba, K. Furutaka, N. Otuka, T. Ohsawa, T. Murata, H. Matsunobu, A. Zukeran, S. Kamada, and J. Katakura, J. Nucl. Sci. Tech. 48, 1 (2011).
X. H. Guo, et al. (Daya Bay Collaboration), arXiv: hep-ex/0701029.
W. Q. Guo, A study of the Anti-neutrino Flux From the Reaction of the Daya Bay Experiment, Dissertation for the Doctoral Degree (Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 2018), pp. 137.
A. Tan, X. Xiao, X. Cui, X. Chen, Y. Chen, D. Fang, C. Fu, K. Giboni, F. Giuliani, H. Gong, S. Hu, X. Huang, X. Ji, Y. Ju, S. Lei, S. Li, X. Li, X. Li, H. Liang, Q. Lin, H. Liu, J. Liu, W. Lorenzon, Y. Ma, Y. Mao, K. Ni, K. Pushkin, X. Ren, M. Schubnell, M. Shen, F. Shi, S. Stephenson, H. Wang, J. Wang, M. Wang, Q. Wang, S. Wang, X. Wang, Z. Wang, S. Wu, M. Xiao, P. Xie, B. Yan, Y. Yang, J. Yue, X. Zeng, H. Zhang, H. Zhang, H. Zhang, T. Zhang, L. Zhao, J. Zhou, and X. Zhou, Phys. Rev. D 93, 122009 (2016).
B. Lenardo, K. Kazkaz, A. Manalaysay, J. Mock, M. Szydagis, and M. Tripathi, IEEE Trans. Nucl. Sci. 62, 3387 (2015), arXiv: 1412.4417.
X. Wang, X. Chen, C. Fu, X. Ji, X. Liu, Y. Mao, H. Wang, S. Wang, P. Xie, and T. Zhang, J. Inst. 11, T12002 (2016), arXiv: 1608.08345.
E. Aprile, et al. (XENON1T Collaboration), J. Cosmol. Astropart. Phys. 2016(04), 027 (2016), arXiv: 1512.07501.
S. Agostinelli, et al. (GEANT4 Collaboration), Physics Reference Manual Version: geant4 10.3, 2016.
J. Verbeke, C. Hagmann, and D. Wright, Simulation of Neutron and Gamma Ray Emission from Fission and Photofission. LLNL Fission Library 2.0.2., Technical Report (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, 2016).
J. M. Verbeke, J. Randrup, and R. Vogt, Fission Reaction Event Yield Algorithm FREYA 2.0.2 User Manual, Technical Report (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, 2017).
H. G. Zhang, A. Abdukerim, W. Chen, X. Chen, Y. H. Chen, X. Y. Cui, B. B. Dong, D. Q. Fang, C. B. Fu, K. Giboni, F. Giuliani, L. H. Gu, X. Y. Guo, Z. F. Guo, K. Han, C. D. He, S. M. He, D. Huang, X. T. Huang, Z. Huang, P. Ji, X. D. Ji, Y. L. Ju, S. L. Li, Y. Li, H. Lin, H. X. Liu, J. L. Liu, Y. G. Ma, Y. J. Mao, K. X. Ni, J. H. Ning, X. X. Ren, F. Shi, A. D. Tan, A. Q. Wang, C. Wang, H. W. Wang, M. Wang, Q. H. Wang, S. G. Wang, X. L. Wang, X. M. Wang, Z. Wang, M. M. Wu, S. Y. Wu, J. K. Xia, M. J. Xiao, P. W. Xie, B. B. Yan, J. J. Yang, Y. Yang, C. X. Yu, J. M. Yuan, J. F. Yue, D. Zhang, T. Zhang, L. Zhao, Q. B. Zheng, J. F. Zhou, N. Zhou, and X. P. Zhou, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62, 031011 (2019), arXiv: 1806.02229.
Author information
Authors and Affiliations
Consortia
Corresponding authors
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Wang, Q., Abdukerim, A., Chen, W. et al. An improved evaluation of the neutron background in the PandaX-II experiment. Sci. China Phys. Mech. Astron. 63, 231011 (2020). https://doi.org/10.1007/s11433-019-9603-9
Received:
Accepted:
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-019-9603-9