[논문 리뷰] Efficiency of the topological signature in the NEXT-White detector

P. Ferrario, J. M. Benlloch-Rodríguez외 87명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 30.

Neutrino Physics Research참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴 탐색을 위한 NEXT-White 검출기에서 이중베타 붕괴 전자의 배경 단일전자 사건과를 구분하기 위해 상위적 서명 컷의 효율성을 측정한다. 1.6 MeV에서 ⁶⁰Co 캘리브레이션 원천을 사용하여, 신호 효율은 71.3 ± 1.5%이며 배경 수용률은 20.3 ± 0.4%를 기록하였으며, 시뮬레이션과 양호한 일치를 보이며 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴 탐색에 관련된 더 높은 에너지 영역에서 성능이 약간 향상됨을 보였다.

ABSTRACT

In experiments searching for neutrinoless double-beta decay, the possibility of identifying the two emitted electrons is a powerful tool in rejecting background events and therefore improving the overall sensitivity of the experiment. In this paper we present the first measurement of the efficiency of a cut based on the different event signatures of double and single electron tracks, using the data of the NEXT-White detector, the first detector of the NEXT experiment operating underground. Using a \TO calibration source to produce signal-like and background-like events with energies near 1.6 MeV, a signal efficiency of $71.3 \pm 1.5$ (fit)\% for a background acceptance of $20.3 \pm 0.4$ (fit)\% is found, in good agreement with Monte Carlo simulations. An extrapolation to the energy region of the neutrinoless double beta decay by means of Monte Carlo simulations is also carried out, and the results obtained show a slight improvement over those obtained at lower energies.

연구 동기 및 목표

• 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴 실험에서 이중전자 사건과 단일전자 사건을 구분하기 위한 상위적 서명 컷의 효과성을 평가하는 것.
• 지하에서 작동하는 NEXT-White 검출기의 실제 데이터를 사용하여 이 컷의 신호 효율과 배경 수용률을 측정하는 것.
• ⁶⁰Co 캘리브레이션 원천에서의 실험 데이터를 이용해 몬테카를로 시뮬레이션의 이벤트 구조 분리 성능을 검증하는 것.
• 시뮬레이션 기반 예측을 통해 상위적 서명 컷의 성능을 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴에 관련된 에너지 영역으로 외삽하는 것.

제안 방법

• NEXT-White 검출기, NEXT 실험의 첫 번째 지하 검출기로, 1.6 MeV 근처의 이벤트를 생성하기 위해 ⁶⁰Co 캘리브레이션 원천을 사용하여 신호 유사 및 배경 유사 붕괴를 시뮬레이션하였다.
• 이중전자 사건과 단일전자 사건 간의 궤적 형태의 차이를 기반으로 한 상위적 서명 컷을 적용하였으며, 두 유형 간의 공간적 및 운동학적 패턴의 차이를 활용하였다.
• 관측된 이벤트 분포에 대한 피팅을 통해 신호 효율과 배경 수용률을 추출하였으며, 주요 성능 지표를 추출하기 위해 가능도 기반 방법을 사용하였다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검출기 반응과 이벤트 구조를 모델링하여 데이터와의 비교 및 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴 에너지 영역으로의 외삽을 가능하게 하였다.
• 상위적 컷의 성능을 1.6 MeV에서 평가하고, 시뮬레이션을 통해 에너지 의존도를 평가하여 고에너지 영역으로의 성능 외삽을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NEXT-White 검출기에서 1.6 MeV에서 상위적 서명 컷의 신호 효율과 배경 수용률은 얼마인가?
• RQ2 몬테카를로 시뮬레이션은 실제 데이터에서 관측된 상위적 컷 성능을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴에 관련된 더 높은 에너지 영역에서 상위적 서명 컷의 효과성이 유지되거나 향상되는가?
• RQ4 상위적 서명은 향후 NEXT 실험 단계에서 배경 억제를 위한 신뢰할 수 있는 도구로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 상위적 서명 컷은 NEXT-White 검출기에서 1.6 MeV에서 71.3 ± 1.5%의 신호 효율과 20.3 ± 0.4%의 배경 수용률을 기록하였다.
• 측정된 성능는 몬테카를로 시뮬레이션과 양호한 일치를 보이며, 향후 배경 제거 연구를 위한 시뮬레이션 프레임워크의 타당성을 검증하였다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 외삽 결과, 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴에 관련된 더 높은 에너지 영역에서 상위적 컷의 분리 능력이 약간 향상됨을 나타냈다.
• 결과는 상위적 이벤트 재구성이 고순도 크세논 기반 이중베타 붕괴 실험에서 배경 사건 억제를 위한 실현 가능하고 효과적인 방법임을 확인하였다.