[논문 리뷰] Multi-layer scintillation detector for the MOON double beta decay experiment: Scintillation photon responses studied by a prototype detector MOON-1

Hiroaki Nakamura, P. J. Doe외 51명|arXiv (Cornell University)|2006. 09. 08.

Neutrino Physics Research인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 고감도 무중성자 이중베타붕괴(0νββ) 실험을 위한 다층 플라스틱 색소체 시스템인 MOON-1 프로토타입 검출기를 제시한다. 100Mo의 Q값인 3.034 MeV에서 에너지 해상도가 2.9±0.1% (FWHM 기준 6.8±0.3%)를 달성하여, 역계층 중성자 질량 척도에 대해 30 meV의 감도를 확보할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

An ensemble of multi-layer scintillators is discussed as an option of the high-sensitivity detector Mo Observatory Of Neutrinos (MOON) for spectroscopic measurements of neutrino-less double beta decays. A prototype detector MOON-1, which consists of 6 layer plastic-scintillator plates, was built to study the sensitivity of the MOON-type detector. The scintillation photon collection and the energy resolution, which are key elements for the high-sensitivity experiments, are found to be 1835+/-30 photo-electrons for 976 keV electrons and sigma = 2.9+/-0.1% (dE/E = 6.8+/-0.3 % in FWHM) at the Qbb ~ 3 MeV region, respectively. The multi-layer plastic-scintillator structure with good energy resolution as well as good background suppression of beta-gamma rays is crucial for the MOON-type detector to achieve the inverted hierarchy neutrino mass sensitivity.

연구 동기 및 목표

• 다층 플라스틱 색소체 검출기가 고감도 무중성자 이중베타붕괴(0νββ) 실험에 실현 가능함을 입증하기 위해.
• 6개의 플라스틱 색소체 층을 가진 프로토타입 검출기(MOON-1)에서 형광광자 수집 효율과 에너지 해상도를 측정하기 위해.
• 3.034-MeV Q값에서 0νββ 붕괴를 탐지하기 위해 필요한 에너지 해상도와 캘리브레이션 성능을 검증하기 위해.
• 플라스틱 색소체에서 Compton 산란된 전자와 NaI(Tl) 검출기에서의 γ선 간의 공진도 기법을 통해 배경 억제 능력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 53×53×1 cm³ 크기의 판과 82%의 측면 표면을 커버하는 56개의 PMT를 갖춘 6층 플라스틱 색소체 프로토타입(MOON-1)을 구축하였다.
• 976-keV 전자와 2.615-MeV γ선에 대한 반응을 측정하기 위해 ⁹⁷Ru 및 ²⁰⁸Tl 방사성 원소를 사용하였다.
• 플라스틱 색소체(PL3)와 NaI(Tl) 검출기(ID4)에서의 에너지 손실을 합산하여 2.615-MeV γ선 피크를 재구성하는 새로운 방법을 적용하였다.
• 재구성된 γ선 사건의 피크 피팅을 통해 에너지 해상도를 측정하였으며, 해상도는 σ/E = V로 표현되었다.
• 976-keV 전자 선과 2.615-MeV γ선 피크를 사용하여 에너지 반응을 캘리브레이션하였다.
• 광전자 수와 해상도 기여도를 분석하기 위해 통계적 분석을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다층 플라스틱 색소체 시스템이 3.034-MeV Q값에서 0νββ 붕괴 검출을 위해 요구되는 약 3%의 에너지 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 측면에 PMT를 장착한 대면적 다층 플라스틱 색소체 시스템에서 실제 형광광자 수집 효율은 얼마인가?
• RQ3 플라스틱 색소체에서 Compton 산란된 전자와 NaI(Tl) 검출기에서의 γ선 간의 공진도 검출이 2.615-MeV γ선 피크를 정확히 재구성하여 에너지 캘리브레이션에 효과적으로 기여할 수 있는가?
• RQ4 플라스틱 색소체에 투과된 에너지에 따라 에너지 해상도가 어떻게 변하는가? 그리고 이는 3.034-MeV 영역으로 외삽 가능한가?
• RQ5 에너지 및 공진도 필터링을 통해 검출기가 배경 사건을 어느 정도 억제할 수 있는가?

주요 결과

• MOON-1 프로토타입은 976-keV 전자에 대해 1835±30개의 광전자를 수집하였으며, 색소체 수율, PMT 커버리지 및 양자 효율에 기반한 예측과 일치하였다.
• 100Mo의 Q값인 3.034 MeV에서 에너지 해상도는 V = 2.9±0.1% (FWHM 기준 6.8±0.3%)로 측정되었으며, 역계층 중성자 질량에 대해 30 meV의 감도를 확보하는 데 필요한 조건을 충족하였다.
• 1 MeV에서의 해상도는 V = 5.0±0.2% (FWHM 기준 11.9±0.5%)였으며, 주로 광전자 수의 통계적 변동에 의해 제한되었다.
• 해상도 성능은 통계적 기여와 내재된 검출기 효과의 조합과 일치하여, 재료 및 제조 공정 최적화를 통해 향상 가능함을 시사하였다.
• PL3와 NaI(Tl) 검출기 간의 공진도를 통해 2.615-MeV γ선 피크를 성공적으로 재구성하여 정밀한 에너지 캘리브레이션을 가능하게 하였다.
• MOON-1 설계는 100×100 cm² 크기의 전체 MOON 검출기로 확장 가능하며, 색소체 내 광자 감쇠가 3% 이하로 유지되기 때문이다.