[論文レビュー] Background modeling for dark matter search with 1.7 years of COSINE-100 data

Prabal Adhikari|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、106 kgのNaI(Tl)結晶からの1.7年間のデータを用いて、COSINE-100ダークマター実験の包括的なバックグラウンドモデルを提示する。このモデルは、内部および外部のバックグラウンド源（表面およびボイド部の210Pb汚染、宇宙線誘発核種など）を含み、Geant4シミュレーションを用いて非線形エネルギー応答と210Pbの深さ分布を経験的にフィットした。主な結果として、1–6 keV領域における平均バックグラウンドレベルは2.85±0.15カウント/日/keV/kgであり、主に210Pbと3Hによって支配されている。

ABSTRACT

We present a background model for dark matter searches using an array of NaI(Tl) crystals in the COSINE-100 experiment that is located in the Yangyang underground laboratory. The model includes background contributions from both internal and external sources, including cosmogenic radionuclides and surface $^{210}$Pb contamination. To build the model in the low energy region, with a threshold of 1 keV, we used a depth profile of $^{210}$Pb contamination in the surface of the NaI(Tl) crystals determined in a comparison between measured and simulated spectra. We also considered the effect of the energy scale errors propagated from the statistical uncertainties and the nonlinear detector response at low energies. The 1.7 years COSINE-100 data taken between October 21, 2016 and July 18, 2018 were used for this analysis. Our Monte Carlo simulation provides a non-Gaussian peak around 50 keV originating from beta decays of bulk $^{210}$Pb in a good agreement with the measured background. This model estimates that the activities of bulk $^{210}$Pb and $^{3}$H are dominating the background rate that amounts to an average level of 2.85$\pm$0.15 counts/day/keV/kg in the energy region of (1-6) keV, using COSINE-100 data with a total exposure of 97.7 kg$\cdot$years.

研究の動機と目的

• 1.7年間のCOSINE-100データを用いて、低エネルギー領域（1–6 keV）におけるダークマター探索のための高精度なバックグラウンドモデルの構築を目的とする。
• 特に表面およびボイド部の210Pb汚染と宇宙線誘発核種を含む、内部および外部バックグラウンド寄与の正確な評価を目的とする。
• 低エネルギー領域におけるNaI(Tl)結晶の非線形エネルギー応答をモデル化し、スペクトルシミュレーションの精度を向上させることを目的とする。
• 5つの低ノイズNaI(Tl)結晶からの測定データとシミュレートされたスペクトルを比較することで、バックグラウンドモデルの妥当性を検証することを目的とする。
• 将来の直接検出解析のため、ダークマターWIMP探索領域（1–6 keV）における総バックグラウンドレベルの推定を目的とする。

提案手法

• G4バージョン10.4.2を用いたGeant4ベースのモンテカルロシミュレーションを用い、詳細な検出器ジオメトリとシールド層を組み込んだバックグラウンドモデルを構築した。
• 低エネルギーキャリブレーションデータに非線形エネルギー応答関数 f(E) = p₀·ln[(E−p₁)/p₂] / [(E−p₁)/p₂]³ + p₃ を経験的にフィットし、NaI(Tl)結晶の非線形応答をモデル化した。
• 表面210Pb汚染の深さ分布は、専用のY2Lテスト測定から導出し、表面崩壊寄与をシミュレートするために適用した。
• 内部核種（40K, 210Pb, 3H, 113Sn, 109Cd, 22Na）および外部源からのバックグラウンド寄与をシミュレートし、測定スペクトルと比較した。
• イベント選別効率の補正と、統計的誤差から伝搬されるエネルギースケールの不確実性を考慮した。
• 単一ヒットおよび複数ヒットイベントの両方に対してスペクトルを測定データにフィットし、1–6 keV領域はモデル化された低エネルギー挙動から外挿した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COSINE-100実験における1–6 keVエネルギー領域における支配的バックグラウンド寄与は何か？
• RQ2 経験的フィットを用いて、低エネルギー領域（1–60 keV）におけるNaI(Tl)結晶の非線形エネルギー応答はどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ3 表面210Pb汚染の寄与は全体のバックグラウンドにどの程度寄与し、その深さ分布がシミュレートされたスペクトルにどのように影響するか？
• RQ4 Geant4ベースのシミュレーションは、単一および複数ヒットイベントの両方において、測定されたバックグラウンドスペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 内部および外部源を完全にモデル化した後、ダークマターWIMP探索領域（1–6 keV）における総バックグラウンドレベルは何か？

主な発見

• バックグラウンドモデルは、単一および複数ヒットイベントの両方において、特に1–6 keV領域で測定スペクトルと良好な一致を示した。
• ボイド部210Pbからのベータ崩壊に起因する非ガウス型ピーク（約50 keV付近）がシミュレートスペクトルに現れ、測定バックグラウンド分布と一致した。
• 1–6 keV領域における支配的バックグラウンド寄与は、ボイド部210Pbと3Hであり、合計平均レベルは2.85±0.15カウント/日/keV/kgであった。
• 分析対象の5つの結晶において、40K, 210Pb, 3H, 22Na, 109Cd, 113Snの測定活動が、約20%以内の一致でモデルが再現した。
• 表面210Pb寄与は結晶ごとに顕著に異なるが、一様な分布よりも浅いおよび深い深さ分布が、より良好なフィットを示した。
• 1–6 keV領域は信頼性を持って外挿可能であり、シミュレートされたスペクトルと効率補正済み測定スペクトルの間に良好な一致が確認された。