[論文レビュー] Sources of Low-Energy Events in Low-Threshold Dark Matter Detectors

Peizhi Du, Daniel Egaña-Ugrinovic+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 156被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、サブゲイグアート・ダークマター検出器における低エネルギー背景として、チェレンコフ放射、遷移放射、再結合ルミネッセンスを特定し、これらが高エネルギーの宇宙線または放射性粒子が検出器材料と相互作用することによって生じることを示している。これらの過程が、SENSEI、SuperCDMS HVeV、SuperCDMS SNOLABにおける多数の単電子事象を説明できることを示しており、今後の検出器設計および感度限界に影響を与えるものである。

ABSTRACT

We discuss several low-energy backgrounds to sub-GeV dark matter searches, which arise from high-energy particles of cosmic or radioactive origin that interact with detector materials. We focus on Cherenkov radiation, transition radiation, and luminescence or phonons from electron-hole pair recombination, and show that these processes are an important source of backgrounds at both current and planned detectors. We perform detailed analyses of these backgrounds at several existing and proposed experiments. We find that a large fraction of the observed single-electron events in the SENSEI 2020 run originate from Cherenkov photons generated by high-energy events in the Skipper-CCD, and from recombination photons generated in a phosphorus-doped layer of the same instrument. In a SuperCDMS HVeV 2020 run, Cherenkov photons produced in the sensor holders likely explain the origin of most of the events containing 2 to 6 electrons. At SuperCDMS SNOLAB, Cherenkov radiation from radioactive contaminants in Cirlex could dominate the low-energy backgrounds. For EDELWEISS, Cherenkov or luminescence backgrounds are subdominant to their observed event rate, but could still limit the sensitivity of their future searches. We also point out that Cherenkov radiation, transition radiation, and recombination could be a significant source of backgrounds at future experiments aiming to detect dark-matter via scintillation or phonon signals. The implications of our results for sub-GeV dark-matter searches and for the design of future detectors are significant. In particular, several design strategies to mitigate these backgrounds can be implemented, such as minimizing non-conductive materials near the target, implementing active and passive shielding, and using multiple detectors. Finally, we speculate on the implications of our results for the development of quantum computers and neutrino detectors.

研究の動機と目的

• 高エネルギー粒子が検出器材料と相互作用することによって生じる、サブゲイグアート・ダークマター検出器における低エネルギー背景を同定および定量すること。
• 電子・正孔再結合に起因するチェレンコフ放射、遷移放射、およびルミネッセンスが偽信号の原因となる役割を調査すること。
• SENSEI、SuperCDMS、EDELWEISSなどの現在および今後の実験にこれらの背景が与える影響を評価すること。
• 次世代ダークマター検出器におけるこれらの背景を低減するための設計提言を提供すること。
• 量子コンピューティングおよびニュートリノ検出技術への広範な影響を検討すること。

提案手法

• SENSEI、SuperCDMS HVeV、SuperCDMS SNOLAB、EDELWEISSを含む、既存および計画中の実験における背景寄与の詳細な分析。
• センサーホルダーやホスファトドープ層などの検出器部品におけるチェレンコフ光子生成のモデル化。
• 半導体および絶縁体における電子・正孔再結合に起因するルミネッセンスおよびフォノン信号の評価。
• 検出器材料内での高エネルギー粒子相互作用に起因する遷移放射の寄与の評価。
• SENSEI 2020、SuperCDMS HVeV 2020、SuperCDMS SNOLABの実験イベントデータを用いて、事象の起源を特定。
• 遮蔽および材料選定戦略の適用により、背景抑制の可能性を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SENSEI 2020ランで観測された単電子事象のうち、どれくらいの割合がスキーッパー・CCD内での高エネルギー事象に起因するチェレンコフ光子に起因するか？
• RQ2 ホスファトドープ層における再結合光子が、SENSEIにおける低エネルギー背景にどれほど寄与しているか？
• RQ3 SuperCDMS HVeV 2020ランにおける2～6電子事象の起源は何か？そのうちチェレンコフ放射が占める割合はどの程度か？
• RQ4 Cirlex材料内の放射性不純物が、SuperCDMS SNOLABにおける低エネルギー背景にどのように影響を与えるか？
• RQ5 チェレンコフ放射またはルミネッセンス背景が、将来のEDELWEISS探索の感度をどの程度制限する可能性があるか？

主な発見

• SENSEI 2020ランにおける多数の単電子事象は、スキーッパー・CCD内での高エネルギー事象に起因するチェレンコフ光子に起因している。
• SENSEI検出器内のホスファトドープ層からの再結合光子も、低エネルギー背景に顕著に寄与している。
• SuperCDMS HVeV 2020ランでは、センサーホルダ内で生成されたチェレンコフ光子が、2～6電子事象の大部分を説明している可能性が高い。
• SuperCDMS SNOLABでは、Cirlex材料内の放射性不純物に起因するチェレンコフ放射が、低エネルギー背景を支配する可能性がある。
• EDELWEISSにおいては、チェレンコフまたはルミネッセンス背景は観測事象率に比べて二次的であるが、将来的な感度を制限する可能性がある。
• スキャンチレーションまたはフォノン検出を用いる将来の実験では、チェレンコフ放射、遷移放射、再結合が顕著な背景源となることが予想される。