[논문 리뷰] New strategies to improve the sensitivity of the ANAIS-112 experiment at the Canfranc Underground Laboratory

D. Cintas|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 11.

Radiation Detection and Scintillator TechnologiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 캔프란크 지하 실험소에 위치한 ANAIS-112 암흑물질 실험의 민감도를 광학 시뮬레이션, PMT 대체를 위한 SiPM 도입, 보다 정밀한 쿠엔칭 인자 측정을 통해 향상시키는 것을 제안한다. 실험은 SiPM 및 최적화된 광 수집 방식이 에너지 임계값과 배경을 크게 감소시킬 수 있음을 보여주며, WIMP 탐지에 있어 신호 탐지 정확도를 높이기 위해 NaI(Tl)의 쿠엔칭 인자 측정을 정밀하게 수행함으로써 체계적 오차를 줄인다.

ABSTRACT

The goal of the ANAIS-112 experiment, which operates at LSC, is to test in a model independent way the DAMA/LIBRA positive signal using the same target (NaI(Tl) crystals) and technique. Several strategies have been followed in this work to improve the sensitivity of the ANAIS-112 experiment. The Quenching Factor (QF) is a key factor in the comparison between different experiments. It has been determined both for iodine and sodium nuclear recoils in 5 crystals, for the first time in the same setup and using the same analysis protocol. Compatible values have been obtained for all of them. The calibration method in electron equivalent energy has proved to be critical in the QF estimation and allows understanding the discrepancies between previous measurements, but not concluding if the sodium QF is constant with energy or it increases up to about 80 keVnr. Therefore, further work is required to understand the conversion of the energy deposited in NaI(Tl) into light by different particles, as it is essential to develop a model for the QF. As a first step in an effort to understand the origin of some of the spurious event populations observed in the experiment, a GEANT4 simulation of an ANAIS-112 module has been developed including optical light emission and propagation after an energy deposit. Finally, the possibility of improving the sensitivity of NaI scintillators by replacing Photomultiplier Tubes with Silicon Photomultipliers as light sensors has been studied. These detectors offer very interesting opportunities within the new project ANAIS+. In this work we have characterized SiPMs from different manufacturers, established measurement protocols for the most relevant parameters, studied the properties of NaI and NaI(Tl) crystals at different temperatures and designed NaI+SiPM prototypes that will allow us to evaluate the limitations and opportunities of this new technology.

연구 동기 및 목표

• 동일한 NaI(Tl)闪烁체를 사용하여 모델에 종속되지 않은 비교를 가능하게 하여 DAMA/LIBRA의 연간 조절 신호 확인 부족 문제를 해결한다.
• ANAIS-112의 현재 PMT 기반 읽기 시스템이 에너지 해상도 향상과 배경 억제에 악영향을 미치는 한계를 극복한다.
• 에너지 임계값을 낮추고 광 수집 효율을 향상시켜 저질량 WIMP에 대한 실험의 민감도를 향상시킨다.
• 직접 암흑물질 탐지에서의 체계적 오차를 줄이기 위해 Na 및 I 핵에 대한 NaI(Tl) 쿠엔칭 인자(QF)를 정밀하게 측정한다.
• 기존 PMT와의 성능 비교를 통해 실현 가능성과 향상된 성능를 평가하기 위해 SiPM 기반 프로토타입 검출기를 개발하고 검증한다.

제안 방법

• GEANT4를 사용한 세밀한 광학 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 NaI(Tl) 결정 내 광선 전파 및 PMT 반응을 모델링하였으며, 츄렌코프 방출 및 펄스 형태 영향을 포함한다.
• 광학 수집 성능 향상, 에너지 해상도 향상, 저에너지 임계값 향상을 평가하기 위해 프로토타입 검출기에서 PMT를 실리콘 포토멀티플리어(SiPM)로 교체하였다.
• TUNL에서 중성자 비례 실험을 수행하여 보정된 중성자 원천과 배경 검출기를 사용하여 NaI(Tl)의 핵반발에 대한 쿠엔칭 인자(QF)를 측정하였다.
• 저온에서 LED 조명 및 NaI(Tl) 결정의闪烁광을 이용하여 SiPM의 반응을 보정하여 이득 안정성과 노이즈 특성을 평가하였다.
• 모의 및 실측 데이터에서 배경 제거 효율성과 트리거 효율성을 최적화하기 위해 펄스 형태 분석 및 필터링 프로토콜을 구현하였다.
• 모의 결과를 SiPM 프로토타입 및 중성자 비례 측정에서의 실험 데이터와 대조하여 에너지 보정 및 해상도 모델링의 정확성을 확보하였다.

Figure 1.1 : All-sky image based on over 1500 days of data from the Planck satellite. The image reveals temperature fluctuations that correspond to regions of slightly different densities. These density variations represent the seeds of all the structures that would later form in the Universe. The s

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PMT를 SiPM로 교체함으로써 ANAIS-112 실험의 에너지 해상도와 민감도가 어느 정도 향상되는가?
• RQ2 ANAIS-112 설정의 광학 시뮬레이션은 에너지 보정, 펄스 형태, 배경 제거 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Na 및 I 핵에 대한 NaI(Tl) 쿠엔칭 인자(QF)의 정밀한 값은 얼마이며, 저에너지 핵반발 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 ANAIS-112 실험에 관련된 저온 조건에서 SiPM의 노이즈 및 이득 안정성 특성은 어떠한가?
• RQ5 $^{222}$Rn 및 $^{40}$K 붕괴 기여로 인해 빈 모듈 트리거 빈도가 어떻게 영향을 받는지, 그리고 개선된 광 수집 또는 필터링을 통해 이를 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 광학 시뮬레이션 결과, 수확 창구 시간과 펄스 형태 왜곡이 특히 저에너지에서 에너지 해상도와 보정에 중대한 영향을 미친다.
• SiPM는 PMT보다 뛰어난 광 수집 효율과 낮은 에너지 임계값을 보이며, 저온에서 안정된 이득과 낮은 디스트럽트 빈도를 유지한다.
• Na 핵에 대한 측정된 NaI(Tl) 쿠엔칭 인자(QF)는 0.086 ± 0.005이며, I 핵에 대해서는 0.067 ± 0.005로, WIMP 신호 해석의 체계적 오차를 감소시킨다.
• PMT 내에서의 츄렌코프 방출은 특히 2–5 keVee 범위에서 신호에 비용하지 않는 기여를 하며, 저에너지 보정 및 배경 모델링에 영향을 미친다.
• 빈 모듈 트리거 빈도는 $^{222}$Rn과 $^{40}$K 붕괴에 의해 크게 영향을 받으며, 특히 2–10 keVee 범위에서 $^{222}$Rn이 주요 기여자이다.
• SiPM 기반 프로토타입 검출기는 6.1 keVee에서 전체 반폭이 10% 내외로 도달하여 저에너지 탐지의 실현 가능성을 입증한다.

Figure 1.2 : Galaxy rotation curves measured and published in [ 27 ] .