Кеширует ли .NET коллекцию?

Код

static void Main() {
   SomeMethod(new[] {1,2,3,4});
   }

Преобразуется в

  IL_0001:  ldc.i4.4
  IL_0002:  newarr     [mscorlib]System.Int32
  IL_0007:  dup
  IL_0008:  ldtoken    field valuetype nnn
  IL_000d:  call       void [mscorlib]System.Runtime.CompilerServices.RuntimeHelpers::InitializeArray(class [mscorlib]System.Array,
                                                                                                      valuetype [mscorlib]System.RuntimeFieldHandle)
  IL_0012:  call       void Demo::SomeMethod(int32[])

newarr - резервирует память, а с токена посредством InitializeArray загружаются (копируются) данные об 1,2,3.

Да, лучше хранить в константе класса.

Для строк работает интернирование. Такой трюк имеет смысл потому, что они иммутабельны, чем не могут похвастать массивы, поэтому для них кэширование нужно делать руками.

массив лучше хранить в поле класса?

В статическом поле.

private static readonly int[] myValues = new {1, 2, 3};
// .NET Core
private static readonly ImmutableArray<int> myValues = ImmutableArray.Create(1, 2, 3);