[論文レビュー] New Measurement of the Scintillation Efficiency of Low-Energy Nuclear Recoils in Liquid Xenon

G. Plante, E. Aprile+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2011

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、最適化された光収率を備えた独自開発の液体キセノンシンチレーション検出器を用いて、液体キセノンにおける低エネルギー核反発のシンチレーション効率（$\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$）の、これまでで最も精度の高い直接測定を実施した。結果は、15 keVにおける $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ が 0.144 ± 0.009 から 3 keVにおける 0.088⁺⁰.⁰¹⁴₋⁰.⁰¹⁵ へと徐々に減少することを示し、低質量WIMP探索における主要な系統的不確実性が著しく低減された。

ABSTRACT

Particle detectors that use liquid xenon (LXe) as detection medium are among the leading technologies in the search for dark matter weakly interacting massive particles (WIMPs). A key enabling element has been the low-energy detection threshold for recoiling nuclei produced by the interaction of WIMPs in LXe targets. In these detectors, the nuclear recoil energy scale is based on the LXe scintillation signal and thus requires knowledge of the relative scintillation efficiency of nuclear recoils, Leff. The uncertainty in Leff at low energies is the largest systematic uncertainty in the reported results from LXe WIMP searches at low masses. In the context of the XENON Dark Matter project, a new LXe scintillation detector has been designed and built specifically for the measurement of Leff at low energies, with an emphasis on maximizing the scintillation light detection efficiency to obtain the lowest possible energy threshold. We report new measurements of Leff at low energies performed with this detector. Our results suggest a Leff which slowly decreases with energy, from 0.144 +/- 0.009 at 15 keV down to 0.088 +0.014 -0.015 at 3 keV.

研究の動機と目的

• 低エネルギーでの液体キセノンにおける核反発のシンチレーション効率（$\\mathcal{L}_{\\mathrm{eff}}$）を高精度に測定することで、低質量WIMP探索における最大の系統的不確実性を低減すること。
• 可能な限り低いエネルギー閾値を達成するために、光収率を最大化した専用のLXeシンチレーション検出器の設計および運用を行うこと。
• 中性子源の特性、検出器の幾何学的配置、およびトリガ効率のモデル化の改善を通じて、$\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ 測定における系統的不確実性を最小限に抑えること。
• 次世代のダークマター実験で使用される液体キセノン検出器における核反発エネルギースケールの直接的かつ高精度なキャリブレーションを提供すること。
• 液体キセノンを用いた次世代ダークマター実験のデータ解釈をより正確に行えるようにすること。

提案手法

• シールドチューブ型の中性子発生器が、約5.5 MeVの単エネルギーの中性子を発生させ、高純度液体キセノン検出器に照射した。
• 2つのEJ301有機液体シンチレーターを固定された方位角方向に配置し、散乱中性子をタグ付けし、運動学的再構成により反発エネルギーを測定した。
• 核反発エネルギーは、中性子エネルギー、散乱角、および中性子とキセノン原子核の質量比を用いた運動学的公式 $E_r \approx 2E_n \frac{m_n M_{\mathrm{Xe}}}{(m_n + M_{\mathrm{Xe}})^2}(1 - \cos\theta)$ から決定した。
• 高い量子効率を有するフォトマルチプライヤーを用いた読み出しシステムにより、光収率を最大化し、3 keVまでの低エネルギーシンチレーション信号の検出を可能にした。
• 系統的不確実性は、Geant4シミュレーションを用いて評価され、トリガ効率、検出器位置、中性子源効率などのパラメータを変化させた。
• 最終的な $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ 値は、測定データに対する対数適合を用い、すべての不確実性源を誤差伝搬に組み込むことで導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 15 keV未満の液体キセノンにおける核反発のシンチレーション効率（$\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$）の真のエネルギー依存性は何か？
• RQ2 核反発エネルギーが減少するに従い $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ はどのように変化するか？ また、最低エネルギー域で顕著な低下を示すか？
• RQ3 低エネルギー域における $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ 測定の主な系統的不確実性要因は何か？ それらはどのように低減できるか？
• RQ4 直接測定された $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ と、中性子スペクトルのシミュレーションに基づく間接測定結果は、どの程度一致するか？
• RQ5 低エネルギー域におけるトリガ効率の低下が、推定される $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ 値にどの程度の影響を及えるか？

主な発見

• シンチレーション効率 $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ は、核反発エネルギーが低下するに従い徐々に減少し、15 keVでは 0.144 ± 0.009、3 keVでは 0.088⁺⁰.⁰¹⁴₋⁰.⁰¹⁵ となった。
• 8.4 keVおよび10.7 keVにおける測定された $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ 値は、Aprileら（2009年）による先行の直接測定と良好に一致しており、新規装置および手法の妥当性が検証された。
• 10 keV未満では、Manzur ら（2010年）の結果と整合的であるが、Lebedenko ら（2009b年）のような間接的測定による以前の推定とは異なり、減少傾向がやや弱い。
• 6.5 keV未満のエネルギー域における $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ の最大の不確実性要因は、反発エネルギーの分散であり、次にトリガ効率の不確実性が続く。
• 6.5 keV以上のエネルギー域では、$\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ の不確実性は、主にフィットに起因する統計的不確実性が支配的であり、高エネルギー領域のデータセットに統計的サンプル数が少ないことが原因と考えられる。
• 本研究は、現在の装置構成では、トリガ効率の低下に起因する高い系統的不確実性のため、3 keV未満での $\mathcal{L}_{\mathrm{eff}}$ 測定は実用的ではないと結論づけた。