[논문 리뷰] Commissioning of the COBRA demonstrator and investigation of surface events as its main background

J. Tebrügge|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 01.

Neutrino Physics Research참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중성미자 없는 이중베타붕괴를 탐색하기 위해 공면격자 CdZnTe 검출기를 사용하는 저배경 실험인 COBRA 시범기의 총검을 보고한다. 표면 사건이 주요 배경으로 밝혀졌으며, 세부적인 실험실 측정과 시뮬레이션을 통해 검출기 고유의 표면 민감도를 규명하였고, 수거 전극을 가진 표면는 비수거 전극을 가진 표면보다 약 3배 높은 민감도를 보였다. 개선된 가드 링 장치로 인해 남은 알파 사건의 비율이 피모일 수준으로 감소하여 표면 사건의 구분 능력이 크게 향상되었다.

ABSTRACT

The COBRA collaboration investigates 0νββ-decays (neutrinoless double beta-de- cays). Therefore, a demonstrator setup using coplanar-grid CdZnTe detectors is operated at the LNGS underground laboratory. In this work, the demonstrator was commissioned and completed, which is discussed extensively. The demonstrator works reliably and collects low-background physics data. One result of the analysis of the data is that surface events are the dom- inating background component. To better understand and possibly discriminate this background, surface events were studied in detail. This was done mainly us- ing laboratory measurements. For a better interpretation of these measurements, simulations of particle trajectories and ranges were done. The surface sensitivity tests showed large differences between the individual detectors. Often, a dead-layer was determined, especially at the surfaces where the non-collecting anode (NCA) is the outermost anode rail. Due to this, the sensitivity of the surfaces where the collecting anode (CA) is adjacent was typically about a factor of three larger than the NCA sensitivity. A comparison of the pulse shape analysis methods LSE and A/E was done. Laboratory measurements indicate, that the latter performs bet- ter. Alpha scanning measurements were done to spatially investigate the surface sensitivity. Plausible variations were measured. However, no hints were found how to improve the surface event recognition. The instrumentation of the guard ring, which surrounds the anode structure, was tested and improved the surface event discrimination significantly. The fraction of surviving alpha events was at a per-mill level. Furthermore, the electron mobility was determined to (968±28) cm^2/(Vs) is in very good agreement with literature values. A variation at the detector edges was found. Important steps for a future large-scale COBRA experiment are discussed briefly, mainly the use of an integrated read-out system. Overall, the results indicate a large potential in background reduction for the COBRA experiment.

연구 동기 및 목표

• 저배경 물리 데이터 수집을 위한 COBRA 시범기 설정의 총검 및 검증.
• CdZnTe 검출기에서 주요 배경 원인인 표면 사건의 식별 및 특성 분석.
• 수거 전극과 비수거 전극 간의 검출기 고유 표면 민감도 차이 분석.
• 표면 사건의 구분을 향상시키기 위한 펄스 형상 분석 기법(LSE 대 A/E) 평가.
• 표면 사건 배경을 향상시키기 위한 가드 링 장치의 테스트 및 최적화.

제안 방법

• LNGS 지하 실험소에서 공면격자 CdZnTe 검출기를 사용한 COBRA 시범기 운영.
• 표면 사건을 지ap측정하기 위해 알파 원천을 사용하여 검출기 표면 전역의 공간 민감도를 매핑하는 실험실 측정.
• 입자 궤적과 침투 깊이의 시뮬레이션을 통해 실험적 표면 민감도 데이터를 해석.
• 표면 사건을 구분하기 위해 LSE 및 A/E 방법을 모두 적용한 펄스 형상 분석.
• 표면 사건 배경을 억제하기 위해 가드 링 장치를 구현하고 테스트.
• 검출기 반응 분 析를 통한 전자 이동도 측정으로 (968±28) cm²/(Vs)의 값 도출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 COBRA 시범기에서 지배적인 배경 성분은 무엇이며, 검출기 표면 전역에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 공면격자 CdZnTe 검출기에서 수거 전극과 비수거 전극 주변의 표면 민감도는 어떻게 다른가?
• RQ3 표면 사건의 구분에 있어 LSE 또는 A/E 방법 중 어느 것이 더 우수한가?
• RQ4 가드 링 장치의 최적화로 표면 사건의 잔류 비율은 어느 정도 감소하는가?
• RQ5 전자 이동도는 검출기 전반에서 어떻게 변화하는가? 이는 문헌 값과 일치하는가?

주요 결과

• COBRA 시범기의 저배경 데이터에서 표면 사건이 지배적인 배경 성분으로 확인되었다.
• 수거 전극에 인접한 표면의 민감도는 비수거 전극에 인접한 표면보다 약 3배 높았다.
• 실험실 측정 결과, A/E 펄스 형상 분석 방법이 LSE보다 표면 사건의 구분 능력에서 뛰어났다.
• 가드 링 장치 최적화 후 남은 알파 사건 비율이 피모일 수준으로 감소하였다.
• 전자 이동도는 (968±28) cm²/(Vs)로 측정되었으며, 문헌 값과 매우 잘 일치하였고, 검출기 가장자리에서는 변동이 관찰되었다.
• 결과적으로 최적화된 검출기 설계 및 읽기 시스템을 통해 향후 대규모 COBRA 실험에서 배경 감소 가능성이 뚜렷하게 입증되었다.