[論文レビュー] Measurement of scintillation response of CsI[Na] to low-energy nuclear recoils by COHERENT

D. Akimov, Peng An+75 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、標識付き中性子散乱およびエンドポイント技術を用いて、低エネルギー核反発（3–60 keV）に対するCsI[Na]の閃光応答を再評価し、H11934-200 PMTの線形性を確認した。また、SPEフィッティングモデルにおける系統的誤差——特にガウス分布モデルと指数関数的ガウス分布モデルの違い——が、絶対的光出力推定値に最大で約10%のバイアスを引き起こす可能性があることを示したが、SPE平均の不確実性が相殺されるため、きょうぐん係数（QF）値には影響しない。

ABSTRACT

We present results of several measurements of CsI[Na] scintillation response to 3-60 keV energy nuclear recoils performed by the COHERENT collaboration using tagged neutron elastic scattering experiments and an endpoint technique. Earlier results, used to estimate the coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) event rate for the first observation of this process achieved by COHERENT at the Spallation Neutron Source (SNS), have been reassessed. We discuss corrections for the identified systematic effects and update the respective uncertainty values. The impact of updated results on future precision tests of CEvNS is estimated. We scrutinize potential systematic effects that could affect each measurement. In particular we confirm the response of the H11934-200 Hamamatsu photomultiplier tube (PMT) used for the measurements presented in this study to be linear in the relevant signal scale region.

研究の動機と目的

• 低エネルギー核反発（3–60 keV）に対するCsI[Na]の閃光応答を、より高い系統的制御をもって再測定すること。
• 最初のCEvNS観測における不確実性に寄与した、過去のCOHERENT QF測定値の不一致を解消すること。
• フォトマルチプライヤー管（PMT）の非線形性およびSPEフィッティングモデルの選択が、絶対的光出力推定値に与える影響を評価すること。
• 低エネルギー核反発に該当する信号範囲において、H11934-200 PMTの線形性を検証し、信号スケールキャリブレーションにおける系統的バイアスを是正すること。
• 今後の共鳴弾性中性子-核反応散乱（CEvNS）の高精度テストに向けた不確実性推定値を更新すること。

提案手法

• 入射中性子エネルギーと散乱角を用いて、核反発エネルギーを特定する標識付き中性子弾性散乱を用い、式1.1および1.2を用いてΔEを計算した。
• エンドポイント技術を適用して最大核反発エネルギー（θ = 180°）を測定し、連続するNRエネルギースペクトルにわたるキャリブレーションを可能にした。
• γ線キャリブレーションライン（59.5 keV、356.0 keV、662 keV）を用いて、電子反発（ER）信号スケールを確立し、QFの決定に用いた。
• 複数のモデル（ガウス分布、指数関数的ガウス分布（式B.4）、および文献からの他のモデル）を用いて、単一光電子（SPE）電荷分布をフィッティングし、モデル依存性を評価した。
• PMTバイアス電圧（-880 V から -1050 V）の範囲でPMT応答を評価し、異なるSPEフィッティングモデルを用いて光電子（PE）単位の信号サイズを比較した。
• SPEモデルの選択が絶対的光出力推定値に与える影響を定量的に評価し、特に高利得域においてガウスモデルがSPE平均を低く見積もることに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPE電荷分布モデルの選択が、CsI[Na]閃光測定における絶対的光出力推定値にどのように影響するか？
• RQ2 PMT応答およびSPEフィッティングの系統的誤差が、絶対信号スケールに及ぼす影響の程度はどの程度か。また、それらがQF値に与える影響は？
• RQ3 H11934-200 PMT応答は、低エネルギー核反発に該当する信号範囲で線形であるか？
• RQ4 過去のCOHERENT QF測定値の不一致を是正するには、どのような補正が必要か？
• RQ5 光出力およびQFの更新された不確実性は、今後のCEvNS実験の精度にどのように影響するか？

主な発見

• H11934-200 PMTの応答は、-880 V から -1050 V のバイアス電圧範囲において、関連する信号範囲で線形であることが確認され、非線形性の兆候は認められなかった。
• 高利得域においてガウスSPEモデルを用いることで、SPE平均のフィッティングが不十分でピードル・コンタミネーションが生じるため、絶対的光出力推定値に約10%のバイアスが生じる。
• 指数関数的ガウス分布（式B.4）を含む代替SPEモデルは、ガウスモデルとは逆の傾向を示し、SPEフィッティングモデルの選択がPE単位の信号サイズに顕著な影響を与える可能性があることを示した。
• -1050 V におけるSPE平均電荷推定値は、7 pVs から 187 pVs の電荷分布に基づき、±4%の不確実性内に制限された。
• 絶対的光出力推定値はSPEモデルの選択に敏感であるが、QF値はSPE平均がQF定義式内で相殺されるため、影響を受けない。
• COH-CsI実験におけるCEvNSイベントレートの不確実性推定値は、是正された系統的誤差を反映して見直された。これにより、今後のCEvNSテストの精度が向上した。