[論文レビュー] Particle discrimination in a NaI crystal using the COSINUS remote TES design

COSINUS Collaboration, G. Angloher+39 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、COSINUS遠隔TES（remoTES）設計を用いて、冷凍ナトリウムヨウ化物（NaI）シンチレーティング・カルオリメータにおいて、イベントごとの粒子識別を実証した。音響子とシンチレーション光を同時に測定することで、15 keVの核反発エネルギー閾値まで、電子／ガンマ線イベントと核反発を明確に分離できた。これは、低バックグラウンド環境下でNaI結晶を用いた直接的ダークマター検出の可能性を裏付けた。

ABSTRACT

The COSINUS direct dark matter experiment situated at Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy is set to investigate the nature of the annually modulating signal detected by the DAMA/LIBRA experiment. COSINUS has already demonstrated that sodium iodide crystals can be operated at mK temperature as cryogenic scintillating calorimeters using transition edge sensors, despite the complication of handling a hygroscopic and low melting point material. With results from a new COSINUS prototype, we show that particle discrimination on an event-by-event basis in NaI is feasible using the dual-channel readout of both phonons and scintillation light. The detector was mounted in the novel remoTES design and operated in an above-ground facility for 9.06 g$\cdot$d of exposure. With a 3.7 g NaI crystal, e$^-$/$γ$ events could be clearly distinguished from nuclear recoils down to the nuclear recoil energy threshold of 15 keV.

研究の動機と目的

• 直接的ダークマター検出を目的として、湿気を吸収しやすく、融点が低い材料である冷凍NaI結晶における粒子識別を実証すること。
• NaIのような壊れやすい吸収体材料に適した読み出し手法として、remoTES設計の有効性を検証すること。
• 高いイベントごとの識別能力を備えた、1 keV未塔のエネルギー閾値性能を達成すること。
• COSINUS実験がDAMA/LIBRAの年齢周期信号を、より優れたエネルギー分解能と粒子識別能力で検証することを目的とした基盤を提供すること。

提案手法

• COSINUSプロトタイプは、別個のシリコンウェーパー上に配置された遠隔遷移エッジセンサー（remoTES）を3.7 gのNaI結晶に接続し、金ワイヤーとパッドによる熱的結合を実施した。
• 各イベントに対して音響子とシンチレーション光信号を同時に記録し、粒子識別のための二重チャネル読み出しを実現した。
• 検出器は地上施設でミリケルビン温度で動作させ、57Coガンマ線源とAmBe中性子源を用いてキャリブレーションを行った。
• 尤度に基づくバンドフィット法を用いて、光出力（LY）対音響子エネルギーの再構成を行い、電子／ガンマ線イベントと核反発を区別した。
• 核反発検出のエネルギー閾値は、核反発バンドで観測可能な最低エネルギーに基づき15 keVと特定された。
• 光検出器応答の非線形性は、特に高エネルギー域での電子／ガンマ線バンドに影響を及ぼし、パラメトリックフィットで補正された。

Figure 1 : Schematic of the remoTES detector. The TES is deposited on a wafer, which is separated from the absorber crystal. The coupling between the absorber and the TES consists of an Au-pad glued on the absorber surface and connected to the TES by two Au-wire bonds [ 6 ] .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 音響子とシンチレーション光の同時読み出しを用いて、冷凍NaI検出器でイベントごとの粒子識別が可能か？
• RQ2 湿気を吸収しやすく、融点が低い材料（NaIなど）を冷凍カルオリメトリック構成で扱うために、remoTES設計は適しているか？
• RQ3 この二重チャネル手法を用いたNaIベースの冷凍検出器で、実現可能な核反発エネルギー閾値はどの程度か？
• RQ4 NaIにおける核反発の光出力（LY）は、電子／ガンマ線イベントと比較してどのように異なるか？また、エネルギーに依存して変化するか？
• RQ5 地上環境下でも、電子／ガンマ線バンドの下に明確な核反発バンドが観測可能か？

主な発見

• remoTES設計は、湿気を吸収しやすく、融点が低い性質を持つ3.7 gのNaI結晶を、ミリケルビン温度で冷凍シンチレーティング・カルオリメータとして安定して動作可能にした。
• 地上環境下でもベースラインエネルギー分解能2 keVを達成し、remoTES手法の頑健性を示した。
• 光出力（LY）対音響子エネルギーの2次元ヒストグラムにおいて、電子／ガンマ線イベントと核反発が明確に分離され、電子／ガンマ線バンドの下に明確な核反発バンドが観測された。
• 100 keV以上のエネルギーで、核反発のクエンチド光出力は約0.5に位置し、NaIにおける予想されるクエンチング行動と整合的であった。
• 核反発エネルギー閾値は15 keVと特定され、このエネルギー未満のイベントは検出器のエネルギー閾値のため解離できなかった。
• 高エネルギー域での電子／ガンマ線バンドの下方傾きは、光検出器応答の増加する非線形性に起因するとされ、パラメトリックフィットで補正された。

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