[論文レビュー] The Skipper CCD for low-energy threshold particle experiments above ground

Guillermo Fernández Moroni, Fernando Chierchie+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、地上での低エネルギー粒子検出において、スキャッパー-CCD技術が単一電子分解能を達成することを示しており、1 keV未満のエネルギーで背景率が指数関数的に増加しないことを明らかにした。空間的および電荷ベースのイベント選別基準を適用することで、特にシリアルレジスタとダーク電流が主な背景源となるのを抑制し、5電子-ホール対（約7.5 eVに相当）まで安定した低背景率を達成した。これは、地上実験における他の低しきい値技術を上回る性能を示している。

ABSTRACT

We present experimental results using a single-electron resolution Skipper-CCD running above ground level to demonstrate the potential of this technology for its use in reactor neutrino observations and other low-energy particle interaction experiments. Operating conditions and event-selection criteria are provided to decouple most of the background rate at low energies. Our final results for events with energies as low as $5$ ionized electron-hole pairs show that the exponentially increasing rate of events seen in other technologies is not present in our data. This demonstrates that the Skipper CCD proves to be among the best options to measure low energy and weakly interacting particles at ground level.

研究の動機と目的

• スキャッパー-CCDが地上実験における低エネルギー粒子検出に実用可能であることを示すこと。
• 地上でのスキャッパー-CCD運用における支配的背景源を特定し、それらを効果的に低減すること。
• 他の技術が指数関数的にイベントレートが増加するのに対し、1 keV未塔のエネルギーで安定した低バックグラウンド性能を達成すること。
• 厚さがあり完全にドーピングされたCCDにおいて、物理的でないイベントを除外するための空間的および電荷ベースの選別基準の有効性を検証すること。
• 地上ベースの測定において、スキャッパー-CCDの性能を最新の低しきい値技術と直接比較すること。

提案手法

• 熱雑音を最小限に抑えるために、140 Kで動作する単一電子分解能を有するスキャッパー-CCDをSunpowerの冷却器を用いて駆動した。
• CCDは放射性純度を考慮しない2インチの lead シールド内に収納され、被動的シールドとイベント選別によるバックグラウンド抑制に依存した。
• 空間的選別基準を適用：yサイズが0.3〜1.0ピクセルのイベントを選別し、シリアルレジスタのイベントを除外した。
• 電荷ベースのカットを適用：合計電荷が2000 e−未満のイベントのみを保持し、シリアルレジスタに高い電荷を持つイベントを除外した。
• エネルギースペクトル全体における選別効率を推定するために、拡散輸送モデルを用いたシミュレーションフレームワークを用いた。
• 最終的なエネルギースペクトルは有効質量で正規化されたが、選別効率による正規化は行われず、他の地上ベースの低しきい値実験と直接比較可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線背景が顕著な地上環境下で、スキャッパー-CCDは1 keV未塔のエネルギーで安定した低バックグラウンド動作を達成できるか？
• RQ2 地上でのスキャッパー-CCD運用における支配的背景源は何か？ そして、空間的および電荷ベースのイベント選別によって効果的に抑制可能か？
• RQ3 地上環境下で、スキャッパー-CCDのバックグラウンドレートは他の低しきい値技術と同様に低エネルギーで指数関数的に増加するのか？
• RQ4 地上ベースの測定において、スキャッパー-CCDの性能は他の先端的低しきい値技術（例：SuperCDMS、Nucleus-1g、EDELWEISS）と定量的に比較してどうか？
• RQ5 空間的および電荷ベースのカットの選別効率が、検出器の固有エネルギースペクトルをどの程度歪めているか？

主な発見

• スキャッパー-CCDは、5電子-ホール対（約7.5 eVに相当）まで安定したバックグラウンド性能を示した。
• 最終的なエネルギースペクトルには、他の低しきい値技術が地上で示すような低エネルギー域でのイベントレートの指数的上昇が認められず、対照的であった。
• 5 e− から 2000 e−（7.5 keV）の等価エネルギー損失を持つイベントのバックグラウンドレートは12 kilo-detectable rate units（kdru）で測定され、低く平坦なバックグラウンドレベルを示した。
• 空間的および電荷ベースの選別カットは、シリアルレジスタおよびダーク電流イベントを効果的に抑制し、エネルギースペクトル全体にわたりほぼ一定の選別効率を維持した。
• EXCESSワークショップでの比較において、スキャッパー-CCDは500 eV未塔で他の低しきい値技術よりも低いバックグラウンドレートを示し、地上ベースの低エネルギー実験において優位性を確認した。
• シミュレーション結果から、選別基準が固有エネルギースペクトルを歪めないことが確認された。選別効率は全エネルギー領域でほぼ一定であった。