[논문 리뷰] Background modeling for dark matter search with 1.7 years of COSINE-100 data

Prabal Adhikari|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 23인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 106kg의 NaI(Tl) 결정에서 확보한 1.7년치 데이터를 사용하여 COSINE-100 암흑물질 실험을 위한 종합적인 배경 모델을 제시한다. 이 모델은 내부 및 외부 배경 원천—표면 및 부피 210Pb 오염과 우주선 유도 우라늄 동위원소를 포함—을 Geant4 시뮬레이션을 통해 구현하며, 210Pb의 비선형 에너지 응답 및 깊이 분포를 경험적으로 피팅한 방식으로 구성된다. 주요 결과로는 1–6 keV 영역에서 평균 배경 수준이 2.85±0.15 개/일/keV/kg로 측정되었으며, 이는 주로 210Pb와 3H에 의해 지배된다.

ABSTRACT

We present a background model for dark matter searches using an array of NaI(Tl) crystals in the COSINE-100 experiment that is located in the Yangyang underground laboratory. The model includes background contributions from both internal and external sources, including cosmogenic radionuclides and surface $^{210}$Pb contamination. To build the model in the low energy region, with a threshold of 1 keV, we used a depth profile of $^{210}$Pb contamination in the surface of the NaI(Tl) crystals determined in a comparison between measured and simulated spectra. We also considered the effect of the energy scale errors propagated from the statistical uncertainties and the nonlinear detector response at low energies. The 1.7 years COSINE-100 data taken between October 21, 2016 and July 18, 2018 were used for this analysis. Our Monte Carlo simulation provides a non-Gaussian peak around 50 keV originating from beta decays of bulk $^{210}$Pb in a good agreement with the measured background. This model estimates that the activities of bulk $^{210}$Pb and $^{3}$H are dominating the background rate that amounts to an average level of 2.85$\pm$0.15 counts/day/keV/kg in the energy region of (1-6) keV, using COSINE-100 data with a total exposure of 97.7 kg$\cdot$years.

연구 동기 및 목표

• 1.7년치 COSINE-100 데이터를 활용하여 저에너지 영역(1–6 keV)에서의 암흑물질 탐색을 위한 정밀한 배경 모델을 개발하기 위해.
• 특히 표면 및 부피 210Pb 오염과 우주선 유도 동위원소를 포함한 내부 및 외부 배경 기여를 정확히 고려하기 위해.
• 저에너지에서 NaI(Tl) 결정의 비선형 에너지 응답을 모델링하여 스펙트럼 시뮬레이션 정확도를 향상시키기 위해.
• 다섯 개인 저노이즈 NaI(Tl) 결정에서의 측정 데이터와 시뮬레이션 스펙트럼을 비교하여 배경 모델을 검증하기 위해.
• 미래의 직접 탐지 분석을 위한 암흑물질 WIMP 탐색 영역(1–6 keV)에서의 총 배경 수준을 추정하기 위해.

제안 방법

• G4 버전 10.4.2를 사용한 Geant4 기반 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여, 세부적인 검출기 기하구조 및 차폐층을 포함한 배경 모델을 수립하였다.
• 저에너지 캘리브레이션 데이터에 비선형 응답 함수 f(E) = p₀·ln[(E−p₁)/p₂] / [(E−p₁)/p₂]³ + p₃를 경험적으로 피팅하여 NaI(Tl) 결정의 비선형성 특성을 모델링하였다.
• 표면 210Pb 오염의 깊이 분포는 별도의 Y2L 테스트 측정 결과에서 유도되었으며, 표면 붕괴 기여를 시뮬레이션하는 데 적용되었다.
• 내부 동위원소(40K, 210Pb, 3H, 113Sn, 109Cd, 22Na) 및 외부 원천의 기여를 시뮬레이션하고 측정된 스펙트럼과 비교하였다.
• 사건 선택 효율 보정 및 통계적 오차에서 기인하는 에너지 스케일 불확실성의 영향을 고려하여 보정을 적용하였다.
• 단일 및 다중 히트 사건에 대해 스펙트럼을 측정 데이터에 맞추었으며, 1–6 keV 영역은 모델링된 저에너지 행동에서 외삽하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 COSINE-100 실험에서 1–6 keV 에너지 영역에서 지배적인 배경 기여는 무엇인가?
• RQ2 경험적 피팅을 통해 1–60 keV 영역에서 NaI(Tl) 결정의 비선형 에너지 응답을 얼마나 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ3 표면 210Pb 오염의 기여는 총 배경에 얼마나 기여하며, 그 깊이 분포가 시뮬레이션 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Geant4 기반 시뮬레이션은 단일 및 다중 히트 사건 모두에서 측정된 배경 스펙트럼을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 내부 및 외부 원천을 완전히 모델링한 후, 암흑물질 WIMP 탐색 영역(1–6 keV)에서의 총 배경 수준은 얼마인가?

주요 결과

• 모델은 단일 및 다중 히트 사건 모두에서 측정된 스펙트럼과 양호한 일치를 보이며, 특히 1–6 keV 영역에서 뛰어난 일치를 보였다.
• 시뮬레이션 스펙트럼은 부피 210Pb의 베타 붕괴로 인해 약 50 keV 부근에 비정규 분포의 피크를 보이며, 이는 측정된 배경 분포와 일치하였다.
• 1–6 keV 영역에서 지배적인 배경 기여는 부피 210Pb와 3H이며, 총 평균 수준은 2.85±0.15 개/일/keV/kg였다.
• 분석한 다섯 개의 결정에서 40K, 210Pb, 3H, 22Na, 109Cd, 113Sn의 측정 활동도 모델이 약 20% 이내의 일치로 정확히 재현하였다.
• 표면 210Pb 기여는 결정 간에 크게 달라졌으며, 균일한 분포가 아닌 얕고 깊은 깊이 분포가 더 나은 피팅을 제공하였다.
• 모델은 1–6 keV 영역을 신뢰성 있게 외삽하였으며, 시뮬레이션된 스펙트럼과 효율 보정된 측정 스펙트럼 간의 양호한 일치를 보였다.