[논문 리뷰] A study of the NaI(Tl) detector response to low energy nuclear recoils and a measurement of the quenching factor in NaI(Tl)

T. Stiegler, C. Sofka외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 다암 물질 탐색에 관련된 낮은 에너지(8–48 keV)에서 NaI(Tl)闪烁체 결정 내 나트륨 핵반동에 대한 끓임 인자(QF)를 단일 에너지 중성자 비드와 동시성 검출 장치를 사용하여 측정한다. 결과적으로 QF는 에너지에 따라 변화하며, 낮은 에너지에서 감소하여 6–18%의 값을 보이며, 이는 DAMA가 보고한 0.30보다 훨씬 낮고 최근 측정치와 더 일치하며, 경량 WIMP의 배제를 강화한다.

ABSTRACT

We analyzed the response of NaI(Tl) to low energy nuclear recoils in the experiment that is reported on here. Such detectors have been used recently to search for evidence of dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs). Understanding the response of these detectors to low energy nuclear recoils is crucial in these searches. We have measured nuclear recoils and associated quenching factors (QF) for sodium recoils in the energy range of 8 keV - 48 keV. The results are characterized by a decrease in QF as the recoil energy decreases. The measured values are significantly lower than those reported by DAMA, but are similar to results from recent measurements. We present the details of our experiment, including the neutron beam calibration, shielding optimization, and the experimental design and setup. The DAMA/LIBRA combined modulation signal is used with the new QF values to illustrate the changes to the dark matter interpretation resulting from this improved characterization of these NaI(Tl) detectors.

연구 동기 및 목표

• 다암 물질 탐색에 관련된 낮은 에너지(8–48 keV)에서 NaI(Tl)의 나트륨 핵반동에 대한 끓임 인자(QF)를 측정하는 것.
• 낮은 반동 에너지에서 QF의 불확실성을 줄임으로써 약한 상호작용을 하는 거대 입자(WIMP) 탐지에 적합한 NaI(Tl) 검출기 반응 특성화를 향상시키는 것.
• 최근 측정된 QF 값을 사용하여 DAMA/LIBRA 다암 물질 주기 신호를 재평가함으로써 경량 WIMPs의 질량 및 단면적 제약에 대한 영향을 평가하는 것.
• 중성자 비드 캘리브레이션과 스크린 패들 카운터를 이용한 동시성 타이밍 검증을 통해 검출기 반응을 검증하고 배경를 최소화하며 신호의 정확성을 향상시키는 것.

제안 방법

• 핵반동을 유도하기 위해 2인치 원통형 NaI(Tl) 결정을 콘덴서된 단일 에너지 중성자 비드에 노출시켰다.
• 백산산 중성자를 감지하고 사건 선택을 향상시키기 위해 NaI(Tl) 결정과 동시성으로 스크린 패들 검출기를 사용했다.
• 동시성 타이밍 컷과 셸딩 최적화를 적용하여 배경를 감소시키고 신호 대 잡음 비율을 향상시켰다.
• 핵반동 에너지(keV nr)와 등가 전자 반동 에너지(keV ee)의 비율로 끓임 인자(QF)를 측정하였으며, 식 QF = E_nr / E_er 를 사용했다.
• 전자 끓임을 고려한 수정된 Lindhard 모델을 사용해 이론적 QF를 계산하고 실험 데이터와 비교했다.
• 기존 QF 값과 새로운 QF 값을 사용하여 DAMA/LIBRA 주기 스펙트럼(2–10 keV ee)에 대해 카이제곱 최소화를 수행하여 WIMP 피팅 품질을 평가했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 에너지(8–48 keV)에서 NaI(Tl) 내 나트륨 핵반동에 대한 에너지 의존성 끓임 인자는 무엇인가?
• RQ2 측정된 QF 값은 DAMA가 보고한 값(0.30)과 다른 최근 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 수정된 QF 값은 경량 WIMPs 어두운 물질 이론에서 DAMA/LIBRA 주기 신호의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 새로운 QF 값은 WIMP 질량–단면적 평면에서 통계적 유의성과 배제 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 낮은 에너지에서 QF 감소 현상은 수정된 Lindhard 모델의 이론 예측과 일치하는가?

주요 결과

• NaI(Tl) 내 나트륨 반동에 대한 측정된 끓임 인자는 8–48 keV nr 에너지 범위에서 6%에서 18% 사이이며, 낮은 에너지에서 명확한 감소를 보인다.
• 새로운 QF 값은 DAMA가 보고한 0.30보다 훨씬 낮으며, 특히 낮은 에너지에서 더욱 뚜렷하며, Collar(2013)과 Xu 등(2015)의 최근 측정치와 더 일치한다.
• 경량 WIMP 영역(약 12 GeV/c²)에서는 피팅 품질이 극적으로 악화되며, 감소된 카이제곱 값이 13에서 37로 증가하여 새로운 QF 하에서 경량 WIMPs가 강하게 배제됨을 시사한다.
• 중량 WIMP 영역(약 74 GeV/c²)은 변화가 거의 없으며, 이는 요오드 반동에 의해 지배되어 나트륨 QF 변화에 민감하지 않기 때문이다.
• 새로운 QF 값을 사용할 경우 경량 WIMPs의 1σ 및 3σ 배제 윤곽선이 완전히 사라지며, 이는 경량 WIMP 가설이 이제 강하게 배제됨을 의미한다.
• 결과적으로 이전에 높은 QF 값에 기반한 어두운 물질 제한은 지나치게 관용적이며, 충돌하는 실험 결과를 조율하기 위해 저에너지 캘리브레이션 향상이 필수적임을 시사한다.