[論文レビュー] New strategies to improve the sensitivity of the ANAIS-112 experiment at the Canfranc Underground Laboratory

D. Cintas|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Radiation Detection and Scintillator TechnologiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、カーンフランク地下研究所におけるANAIS-112ダークマター実験の感度向上を、光学シミュレーション、PMTのSiPMへの置き換え、およびクエンチング要因の高精度測定を通じて提案している。SiPMと最適化された光収率は、エネルギー閾値とバックグラウンドを顕著に低減できることを示しており、WIMP探索における信号検出精度を向上させるために、NaI(Tl)のクエンチング要因の高精度測定が有効であることが明らかになった。

ABSTRACT

The goal of the ANAIS-112 experiment, which operates at LSC, is to test in a model independent way the DAMA/LIBRA positive signal using the same target (NaI(Tl) crystals) and technique. Several strategies have been followed in this work to improve the sensitivity of the ANAIS-112 experiment. The Quenching Factor (QF) is a key factor in the comparison between different experiments. It has been determined both for iodine and sodium nuclear recoils in 5 crystals, for the first time in the same setup and using the same analysis protocol. Compatible values have been obtained for all of them. The calibration method in electron equivalent energy has proved to be critical in the QF estimation and allows understanding the discrepancies between previous measurements, but not concluding if the sodium QF is constant with energy or it increases up to about 80 keVnr. Therefore, further work is required to understand the conversion of the energy deposited in NaI(Tl) into light by different particles, as it is essential to develop a model for the QF. As a first step in an effort to understand the origin of some of the spurious event populations observed in the experiment, a GEANT4 simulation of an ANAIS-112 module has been developed including optical light emission and propagation after an energy deposit. Finally, the possibility of improving the sensitivity of NaI scintillators by replacing Photomultiplier Tubes with Silicon Photomultipliers as light sensors has been studied. These detectors offer very interesting opportunities within the new project ANAIS+. In this work we have characterized SiPMs from different manufacturers, established measurement protocols for the most relevant parameters, studied the properties of NaI and NaI(Tl) crystals at different temperatures and designed NaI+SiPM prototypes that will allow us to evaluate the limitations and opportunities of this new technology.

研究の動機と目的

• DAMA/LIBRAの年齢モodulation信号の確認が得られていないという問題を、同一のNaI(Tl)シンチレーターを用いたモデルに依存しない比較によって解決すること。
• ANAIS-112の現在のPMTベースの読み出しシステムに起因するエネルギー分解能とバックグラウンド抑制の限界を克服すること。
• エネルギー閾値の低減と光収率の向上により、低質量WIMPに対する感度を向上させること。
• 直接的ダークマター検出における系統的不確実性を低減するため、NaおよびI核におけるNaI(Tl)クエンチング要因（QF）を高精度で測定すること。
• SiPMベースのプロトタイプ検出器を開発・検証し、従来のPMTと比較しての実現可能性と性能向上を評価すること。

提案手法

• GEANT4を用いた詳細な光学モンテカルロシミュレーションにより、NaI(Tl)結晶内での光伝播とPMT応答をモデル化し、チゼルフォン放射とパルス形状効果を含めた。
• プロトタイプ検出器においてPMTをシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）に置き換えることで、光収率、エネルギー分解能、低エネルギー閾値における性能向上を評価した。
• TUNLでの中性子ビーム実験により、校正済みの中性子源とバックアップ検出器を用いて、核反発のためのNaI(Tl)クエンチング要因（QF）を測定した。
• 液体ヘリウム温度でのLED照射とNaI(Tl)結晶からのシンチレーション光を用いてSiPMのゲイン安定性とノイズ特性を評価した。
• シミュレート済みおよび実データにおけるバックグラウンド抑制とトリガ効率の最適化を目的としたパルス形状解析およびフィルタリングプロトコルを実装した。
• シミュレーション結果をSiPMプロトタイプおよび中性子ビーム測定からの実験データと照合することで、エネルギー校正と分解能モデルの正確性を検証した。

Figure 1.1 : All-sky image based on over 1500 days of data from the Planck satellite. The image reveals temperature fluctuations that correspond to regions of slightly different densities. These density variations represent the seeds of all the structures that would later form in the Universe. The s

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PMTをSiPMに置き換えることで、ANAIS-112実験のエネルギー分解能と感度はどの程度向上するか？
• RQ2 ANAIS-112の光学シミュレーションは、エネルギー校正、パルス形状、バックグラウンド抑制効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 NaおよびI核におけるNaI(Tl)クエンチング要因（QF）の正確な値は何か？ また、低エネルギー核反発の検出にどのように影響するか？
• RQ4 ANAIS-112実験に関連する液体ヘリウム温度下でのSiPMのノイズ特性とゲイン安定性はどのようなものか？
• RQ5 $^{222}$Rnおよび$^{40}$Kの崩壊寄与がブランクモジュールのトリガレートにどのように影響するか？ また、光収率の向上やフィルタリングによってこれを緩和できるか？

主な発見

• 光学シミュレーションにより、取得ウィンドウのタイミングとパルス形状の歪みが、特に低エネルギー領域でエネルギー分解能と校正に顕著な影響を与えることが示された。
• SiPMはPMTと比較して優れた光収率と低いエネルギー閾値を示し、液体ヘリウム温度下でもゲインが安定し、ダークカウントレートが低いことが確認された。
• Na核における測定済みのNaI(Tl)クエンチング要因（QF）は0.086 ± 0.005、I核では0.067 ± 0.005であり、WIMP信号解釈における系統的不確実性が低減された。
• PMTにおけるチゼルフォン放射は、特に2–5 keVee領域で信号に非可視な寄与を示し、低エネルギー校正およびバックグラウンドモデル化に影響を与える。
• ブランクモジュールのトリガレートは$^{222}$Rnおよび$^{40}$Kの崩壊に強く依存しており、特に2–10 keVee領域で$^{222}$Rnが主要因であることが判明した。
• SiPMベースのプロトタイプ検出器は、6.1 keVeeにおいて全幅半最大（FWHM）エネルギー分解能約10%を達成し、低エネルギー検出の実現可能性を示した。

Figure 1.2 : Galaxy rotation curves measured and published in [ 27 ] .