[論文レビュー] Pulse Shape Analysis with a Broad-Energy Germanium Detector for the GERDA experiment

D. Budjáš, Marik Barnabé Heider+3 more|ArXiv.org|Dec 9, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、低バックグラウンドのレア崩壊実験における電子および光子の相互作用を区別するために、広エネルギー範囲のゲルマニウム検出器を用いたパルス形状解析を提示する。検出器信号の時間的変化を分析することで、複数散乱光子由来のバックグラウンド事象を効果的に抑制し、GERDA関連の設定において商用で入手可能な検出器を用いても強力な識別能力を示した。

ABSTRACT

To reduce background in experiments looking for rare events, such as the GERDA double beta decay experiment, it is necessary to employ active background-suppression techniques. One of such techniques is the pulse shape analysis of signals induced by the interaction of radiation with the detector. Analysis of the time-development of the impulses can distinguish between an interaction of an electron and an interaction of a multiple-scattered photon inside the detector. This information can be used to eliminate background events from the recorded data. Results of pulse-shape analysis of signals from a commercially available broad-energy germanium detector are presented and the pulse-shape discrimination capability of such detector configuration for use in low-background experiments is discussed.

研究の動機と目的

• ニュートリノ無双ベータ崩壊のようなレアイベント探索におけるバックグラウンド低減を、アクティブバックグラウンド抑制技術を用いて行う。
• 商用で入手可能な広エネルギー高純度ゲルマニウム検出器のパルス形状識別能力を評価する。
• GERDAのような低バックグラウンド実験におけるパルス形状解析を用いたバックグラウンド拒否の実現可能性を評価する。
• 電子および光子の相互作用に起因する検出器信号の時間依存的応答を特徴づける。
• GERDA関連の設定において、標準的な高純度ゲルマニウム検出器を用いたパルス形状解析の実用的実装を提供する。

提案手法

• 広エネルギー高純度ゲルマニウム検出器にガンマ線源を照射した信号にパルス形状解析を適用した。
• 電子の単一相互作用事象と複数散乱光子事象を区別するために、電気的パルスの時間的発展を分析した。
• この手法は、電子と光子が引き起こすパルスの立ち上がり時間および減衰時間の差異に依存している。
• 電子と光子の相互作用に起因するパルス形状の比較を用いて、識別基準を定義した。
• 高エネルギー分解能に校正された検出器を用いて、ハイデルベルクのマックス・プランク核物理学研究所で収集したデータを分析した。
• 標準的なパルス形状解析技術を広エネルギー検出器に適応させた手法を用いて、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広エネルギーゲルマニウム検出器において、パルス形状解析は複数散乱光子事象と電子相互作用を効果的に区別できるか？
• RQ2 GERDA関連の実験設定において、パルス形状解析のバックグラウンド抑制能力はどの程度か？
• RQ3 商用で入手可能な広エネルギーゲルマニウム検出器は、専用設計の検出器と比較して、パルス形状識別においてどの程度の性能を示すか？
• RQ4 電子と光子の相互作用を区別するための主要なパルス形状特徴は何か？
• RQ5 標準的な高純度ゲルマニウム検出器を用いたパルス形状解析は、低バックグラウンド実験で実際に実装可能か？

主な発見

• パルス形状解析により、広エネルギーゲルマニウム検出器において電子相互作用と複数散乱光子事象を成功裏に区別できた。
• 複数散乱に起因する長時間にわたるパルス形状を示す事象を特定することで、この手法が効果的なバックグラウンド抑制を実現した。
• ガンマ線源を用いた実験とパルス形状の比較により、識別能力が確認された。
• 商用で入手可能な広エネルギーゲルマニウム検出器が、低バックグラウンド実験におけるパルス形状解析に適していることが示された。
• 本研究により、標準的な高純度ゲルマニウム検出器を用いたパルス形状解析が、GERDAに類似した実験におけるバックグラウンド抑制に実現可能であることが確認された。
• パルスの立ち上がり時間および減衰時間に基づいて、電子と光子の相互作用シグナルの間で測定可能な分離が達成された。