[論文レビュー] Near-Intrinsic Energy Resolution for 30 to 662 keV Gamma Rays in a High Pressure Xenon Electroluminescent TPC

NEXT Collaboration, V. Álvarez+76 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2012

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 23被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、10–15 atmの高圧ガスキセノンを用いた発光電離タイムプロジェクションチェンバー（TPC）プロトタイプを提示し、662 keVガンマ線に対して約1% FWHMの近似固有エネルギー分解能を実証した。30 keV X線では5% FWHMを達成し、2.459 MeVのニュートリノless二重ベータ崩壊ピークの予想される0.5% FWHM分解能を実現可能とする。これは現在の液体キセノン実験よりも顕著に優れている。また、64チャネルのシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）アレイを用いて高精度な3次元トラック再構成を達成し、NEXT-100実験に必要な主要な性能を検証した。

ABSTRACT

We present the design, data and results from the NEXT prototype for Double Beta and Dark Matter (NEXT-DBDM) detector, a high-pressure gaseous natural xenon electroluminescent time projection chamber (TPC) that was built at the Lawrence Berkeley National Laboratory. It is a prototype of the planned NEXT-100 $^{136}$Xe neutrino-less double beta decay ($0νββ$) experiment with the main objectives of demonstrating near-intrinsic energy resolution at energies up to 662 keV and of optimizing the NEXT-100 detector design and operating parameters. Energy resolutions of $\sim$1% FWHM for 662 keV gamma rays were obtained at 10 and 15 atm and $\sim$5% FWHM for 30 keV fluorescence xenon X-rays. These results demonstrate that 0.5% FWHM resolutions for the 2,459 keV hypothetical neutrino-less double beta decay peak are realizable. This energy resolution is a factor 7 to 20 better than that of the current leading $0νββ$ experiments using liquid xenon and thus represents a significant advancement. We present also first results from a track imaging system consisting of 64 silicon photo-multipliers recently installed in NEXT-DBDM that, along with the excellent energy resolution, demonstrates the key functionalities required for the NEXT-100 $0νββ$ search.

研究の動機と目的

• ニュートリノless二重ベータ崩壊（0νββ）検出を目的とした高圧ガスキセノンTPCで、近似固有エネルギー分解能を実証すること。
• NEXT-100実験の136Xeの設計および運用パラメータ最適化を、プロトタイプ検出器を用いて行うこと。
• ガスキセノンTPCにおけるシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）アレイの3次元トラックイメージング性能を検証すること。
• 現在の液体キセノン実験よりも顕著に優れたエネルギー分解能を達成し、バックグラウンド抑制を向上させること。
• 将来的なダークマターおよび0νββ感度最適化のため、ガス添加剤および核反発の応答を調査すること。

提案手法

• NEXT-DBDMプロトタイプは、自然キセノンを用いた高圧（10–15 atm）、発光電離タイムプロジェクションチェンバー（TPC）であり、光検出に64チャネルのシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）アレイを搭載している。
• ガンマ線およびベータ崩壊からのイオン化電子は、電界により平行平板電子増倍器（GEMに類似）構造へと移動され、発光電離による光増幅が行われる。
• 発光電離からの光はSiPMアレイで検出され、時間スライス信号波形を用いて尤度フィッティングにより3次元粒子トラックを再構成する。
• エネルギー分解能は、662 keVガンマ線および30 keV X線からのピークの全波幅半値（FWHM）を分析することで測定される。
• SiPM信号のS1トリガーからの飛行時間情報を利用し、空間分解能は約2.1 mm RMS誤差で推定される。
• エネルギー分解能への系統的寄与要因として、Fano要因、拡散、光収率効率を研究・モデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧ガスキセノンTPCは、10–15 atmのキセノン圧力下で662 keVガンマ線に対して近似固有エネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 30 keV X線のエネルギー分解能はどの程度達成可能であり、2.459 MeVの0νββピークにどのようにスケーリングされるか？
• RQ3 64チャネルのSiPMアレイは、ガスキセノンTPC内での荷電粒子の高精度3次元トラック再構成を可能にするか？
• RQ4 CF4、CH4、TMAなどのガス添加剤は、発光電離出力、拡散、エネルギー分解能にどのように影響するか？
• RQ5 低エネルギー領域（O(10 keV)）でS2/S1分離を用いて電子反発と核反発を区別できるか？

主な発見

• NEXT-DBDMプロトタイプは、10 atmおよび15 atmのキセノン圧力下で662 keVガンマ線に対して1% FWHMのエネルギー分解能を達成した。
• 30 keVの蛍光X線に対しては、エネルギー分解能が5% FWHMであった。これは低エネルギー電子トラックの期待値と整合的であった。
• 2.459 MeVの0νββ崩壊ピークに対して0.5% FWHMのエネルギー分解能が達成可能であることが実証された。これは現在の液体キセノン実験よりも7～20倍優れている。
• 64チャネルのSiPMアレイは、宇宙線ミューオンおよび662 keVガンマ線の3次元トラックを、1点あたり約2.1 mmのRMS位置誤差で成功裏に再構成した。
• 3次元トラック再構成は、662 keVガンマ線の3 cmのフォトレコールドトラックと、別個の30 keV X線のエネルギー付加を明確に解離しており、トポロジー分離能力を確認した。
• これらの結果は、SiPMベースのトラッキングを備えた高圧ガスキセノンTPCがNEXT-100実験に実用可能であり、バックグラウンド抑制と高エネルギー分解能を実現可能であることを支持する。