[논문 리뷰] Measurement of scintillation response of CsI[Na] to low-energy nuclear recoils by COHERENT

D. Akimov, Peng An외 75명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 03.

Neutrino Physics Research참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태깅된 중성자 산란과 종점 기법을 사용하여 저에너지 핵반발에 대한 CsI[Na]의 스크린티레이션 반응을 재평가하며, H11934-200 PMT의 선형성을 확인하고, 단일광전자(SPE) 피팅 모델에서의 시스템적 오차—특히 가우시안 모델 대 비가우시안-가우시안 모델—이 절대 광출력 추정치에 약 ~10%의 편향을 유발할 수 있음을 보여주며, Quenching Factor(QF) 값은 SPE 평균 불확실성의 상쇄로 영향을 받지 않음을 입증한다.

ABSTRACT

We present results of several measurements of CsI[Na] scintillation response to 3-60 keV energy nuclear recoils performed by the COHERENT collaboration using tagged neutron elastic scattering experiments and an endpoint technique. Earlier results, used to estimate the coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) event rate for the first observation of this process achieved by COHERENT at the Spallation Neutron Source (SNS), have been reassessed. We discuss corrections for the identified systematic effects and update the respective uncertainty values. The impact of updated results on future precision tests of CEvNS is estimated. We scrutinize potential systematic effects that could affect each measurement. In particular we confirm the response of the H11934-200 Hamamatsu photomultiplier tube (PMT) used for the measurements presented in this study to be linear in the relevant signal scale region.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 핵반발(3–60 keV)에 대한 CsI[Na]의 스크린티레이션 반응을 더 나은 시스템적 제어로 재측정하기 위해.
• 첫 번째 CEvNS 관측에서의 불확실성에 기여한 이전 COHERENT QF 측정치의 모순을 해결하기 위해.
• 광증폭관(PMT)의 비선형성과 SPE 피팅 모델 선택이 절대 광출력 추정치에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 저에너지 핵반발에 관련된 신호 범위에서 H11934-200 PMT의 선형성을 검증하고, 신호 스케일 캘리브레이션의 시스템적 편향을 교정하기 위해.
• 향후 협동 탄성 중성자-핵 반응(CEvNS) 정밀 시험을 위한 업데이트된 불확실성 추정치를 제공하기 위해.

제안 방법

• 입사 중성자 에너지와 산란 각도를 이용해 핵반발 에너지를 특정하기 위해 태깅된 중성자 탄성 산란을 사용하였으며, 식 1.1 및 1.2를 활용해 ΔE를 계산하였다.
• 종점 기법을 적용하여 최대 핵반발 에너지(θ = 180°)를 측정함으로써 연속적인 NR 에너지 스펙트럼에 대한 캘리브레이션을 가능하게 하였다.
• QF 결정을 위한 전자반발(ER) 신호 스케일 확립을 위해 감마선 캘리브레이션 라인(59.5 keV, 356.0 keV, 662 keV)을 사용하였다.
• 다양한 모델—가우시안, 지수-가우시안(Eq. B.4), 기타 문헌에서 제시된 모델—을 사용해 단일광전자(SPE) 전하 분포를 피팅하여 모델 의존성 평가를 수행하였다.
• PMT의 반응을 -880 V에서 -1050 V까지의 역전압 범위에서 평가하였으며, 다양한 SPE 피팅 모델을 사용해 광전자(PE) 단위의 신호 크기를 비교하였다.
• SPE 모델 선택이 절대 광출력 추정치에 미치는 영향을 정량화하였으며, 특히 고이득에서 가우시안 모델이 SPE 평균을 과소평가함을 주목하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPE 전하 분포 모델 선택이 CsI[Na] 스크린티레이션 측정에서 절대 광출력 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 PMT 반응의 시스템적 오차와 SPE 피팅 모델의 오차가 절대 신호 스케일에 얼마나 큰 영향을 미치며, QF 값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 H11934-200 PMT의 반응은 저에너지 핵반발에 관련된 신호 범위에서 선형적인가?
• RQ4 이전 COHERENT QF 측정치의 모순을 보정하기 위해 어떤 보정이 필요한가?
• RQ5 광출력과 QF의 업데이트된 불확실성은 향후 CEvNS 실험의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• H11934-200 PMT의 반응은 -880 V에서 -1050 V까지의 전압 범위에서 관련 신호 범위에서 선형임이 확인되었으며, 비선형 행동의 증거는 없었다.
• 고이득에서 가우시안 SPE 모델을 사용할 경우, 계곡 영역에서의 피팅 부족과 기저선 오염으로 인해 절대 광출력 추정치에 약 ~10%의 편향이 발생한다.
• 지수-가우시안(Eq. B.4)과 같은 다른 SPE 모델은 가우시안 모델과 반대 방향의 경향을 보이며, 이는 SPE 피팅 모델 선택이 PE 단위의 신호 크기에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
• -1050 V에서 SPE 평균 전하 추정치는 7 pVs에서 187 pVs까지의 전하 분포 기반으로 ±4% 이내의 불확실성으로 제약을 받는다.
• 절대 광출력 추정치는 SPE 모델 선택에 민감하지만, QF 값은 SPE 평균이 QF 정의에서 상쇄되기 때문에 영향을 받지 않는다.
• CORR-CEvNS 실험에서의 CEvNS 사건률에 대한 업데이트된 불확실성 추정치는 교정된 시스템적 오차로 인해 재조정되었으며, 향후 CEvNS 시험의 정밀도 향상에 기여하였다.