[論文レビュー] Understanding internal backgrounds of NaI(Tl) crystals toward a 200~kg array for the KIMS-NaI experiment

P. Adhikari, G. Adhikari+25 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、KIMS-NaI実験のための超低バックグラウンドNaI(Tl)結晶の開発と背景特徴の評価を提示する。陽陽地下研究所に設置された200 kgアレイを用いて、DAMA/LIBRAの年齢モodulation信号をテストすることを目的としている。$^{210}$Pbと$^{40}$Kを含む内部放射性核種の低減により、2 keV反動エネルギーで1日/keV/kg未満のバックグラウンドレベルを達成し、600 kg·年露光でDAMA/LIBRA信号の7σ確認が可能になった。

ABSTRACT

The Korea Invisible Mass Search (KIMS) collaboration has developed low-background NaI(Tl) crystals that are suitable for the direct detection of WIMP dark matter. With experience built on the KIMS-CsI programs, the KIMS-NaI experiment will consist of a 200~kg NaI(Tl) crystal array surrounded by layers of shielding structures and will be operated at the Yangyang underground laboratory. The goal is to provide an unambiguous test of the DAMA/LIBRA's annual modulation signature. Measurements of six prototype crystals show progress in the reduction of internal contaminations of radioisotopes. Based on our understanding of these measurements, we expect to achieve a background level in the final detector configuration that is less than 1~count/day/keV/kg for recoil energies around 2~keV. The annual modulation sensitivity for the KIMS-NaI experiment shows that an unambiguous 7$σ$ test of the DAMA/LIBRA signature would be possible with a 600~kg$\cdot$year exposure with this system.

研究の動機と目的

• DAMA/LIBRA実験と同一のシンチレーター材料を用いたWIMP直接検出のための超低バックグラウンドNaI(Tl)結晶の開発を目的とする。
• 特に$^{210}$Pbと$^{40}$Kを含む内部放射性核種の汚染を低減し、DAMA/LIBRAの年齢モドulation信号を高精度でテスト可能にする。
• 6つのR&D段階のNaI(Tl)結晶の性能を、陽陽地下研究所における低バックグラウンドシールド環境で評価する。
• 3年間の露光で、200 kgのNaI(Tl)アレイがDAMA/LIBRA信号を高統計的有意性で確認または否定できる感度を予測する。
• パルス形状識別を用いて、WIMP由来の核反動と電子反動（バックグラウンド）を明確に区別できる。

提案手法

• 外部バックグラウンドを抑制するために、銅、ポリエチレン、 lead、液体シンチレーター用の鉱物油を含む層状シールドを備えた12モジュールのCsI(Tl)アレイを用いてバックグラウンド測定を実施した。
• Alpha Spectra社および北京Hamamatsu社の6つのR&D段階のNaI(Tl)結晶を、既存のKIMS-CsI検出器装置内にそのまま設置し、内部汚染を評価した。
• 2–6 keV反動エネルギー範囲でのバックグラウンドレベルを測定し、特に$^{210}$Pbと$^{40}$Kの寄与を、パルス形状およびエネルギースペクトル解析を用いて評価した。
• モンテカルロシミュレーションとベイズ尤度フィットを用いて、3年間の200 kgアレイの年齢モドulation感度と信号の有意水準を予測した。
• 実験では2 keVのエネルギー閾値を仮定し、保守的（2 dru）および楽観的（1 dru）なバックグラウンド仮定の下で感度を評価した。
• パルス形状識別を適用して、WIMP由来の核反動（信号）と電子反動（バックグラウンド）を区別し、信号の識別を強化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NaI(Tl)結晶内の内部放射性核種バックグラウンドは、DAMA/LIBRAの年齢モドulation信号を高有意水準でテストできる程度に低減可能か？
• RQ2 特に2–6 keV反動エネルギー範囲において、NaI(Tl)結晶内の内部バックグラウンドの主な寄与要因は何か？
• RQ3 200 kgのNaI(Tl)アレイがDAMA/LIBRAの年齢モドulation信号を検出または除外できる感度はどの程度か？
• RQ4 実際のバックグラウンド条件下で、KIMS-NaI実験が600 kg·年の露光でDAMA/LIBRA信号を7σの有意水準で確認できるか？
• RQ5 NaI(Tl)結晶におけるパルス形状識別は、WIMP由来の核反動と電子反動バックグラウンドを効果的に分離できるか？

主な発見

• 6つのR&D段階のNaI(Tl)結晶におけるバックグラウンドレベルは、2 keV反動エネルギーで1日/keV/kg未満にまで低減され、$^{210}$Pbと$^{40}$Kが主な寄与要因であると特定された。
• さらなる粉末精製とLSVシステムの導入により、バックグラウンドレベルは約1日/keV/kgにまで低下すると予想され、DAMA/LIBRA信号の感度の高いテストが可能になると期待される。
• 3年間の露光（600 kg·年）を想定した200 kgのNaI(Tl)アレイは、年齢モドulation信号の中央値として7.2 ± 1.0σの有意水準を達成すると予測された。これはDAMA/LIBRAの観測結果と一致する。
• 保守的なバックグラウンド仮定（2日/keV/kg）のもとでも、有意水準は5σ以上（5.1 ± 0.9σ）を維持し、明確な確認または否定の可能性が裏付けられた。
• 本実験では、パルス形状識別を用いてWIMP由来の核反動と電子反動を明確に区別でき、信号の信頼性ある同定が可能である。
• 保守的なバックグラウンド仮定のもとでも、3年間のデータ取得でKIMS-NaI実験はDAMA/LIBRAの3σ許容領域を完全にカバーできると予想される。