[논문 리뷰] Optimization of the Cherenkov signal from TeO$_{2}$ bolometers

N. Casali|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 06.

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한 줄 요약

이 논문은 무이중베타붕괴 탐색에서 α 배경을 향상시키기 위해 TeO₂ 냉각검출기에서 츄레노프 빛 탐지 최적화를 수행한다. 광자 전파를 시뮬레이션하고 결정 표면의 거칠기 및 빛 탐지기 설계를 개선함으로써, 탐지 가능한 츄레노프 광자의 수를 약 58% 증가시킬 수 있음을 입증한다. 그러나 광자 수율 변동성으로 인해 β/γ 구분은 여전히 불가능하다.

ABSTRACT

The most sensitive process able to probe the Majorana nature of neutrinos and discover Lepton Number Violation is the neutrino-less double beta decay (0$ u$DBD). A novel approach able to improve the sensitivity of the current bolometric experiments searching for this rare nuclear decay is the $\alpha$ background rejection. In TeO$_2$ bolometers the $\alpha$ particles rejection can be performed tagging the Cherenkov light emitted only by electrons. This approach was tested in several works which demonstrated the feasibility of this technique but, on the other hand, the amount of Cherenkov light detected was lower with respect to the expected one, undermining the complete rejection of $\alpha$ background. In this paper we compare the results obtained in these works with a detailed Monte Carlo simulation able to reproduce the number of Cherenkov photons produced in $\beta/\gamma$ interactions within the TeO$_2$ bolometer and their propagation in the experimental set-up. We demonstrate that the light yield detectable from a $5 imes5 imes5$ cm$^{3}$ TeO$_2$ bolometer can be increased up to 58% with respect to the one measured by the current R&D detectors increasing the surface roughness of the crystal and improving the light detector design. Moreover taking into account the intrinsic fluctuations of the number of Cherenkov photons we study the possibility to disentangle $\beta$ from $\gamma$ interactions that represent the ultimate background source. Unfortunately this discrimination is not feasible.

연구 동기 및 목표

• 무이중베타붕괴(0νDBD) 탐색을 위한 냉각검출기 실험의 감도를 향상시키기 위해 α 배경을 개선한다.
• 이전 R&D 실험에서 관찰된 탐지 가능한 츄레노프 광자 수의 부족을 해결한다. 이는 효과적인 α 배경 제거에 악영향을 미친다.
• 츄레노프 광자 수율의 변동성이 β 및 γ 상호작용을 구분할 수 있는지 조사한다. 이는 주요 배경 원천이다.
• 결정 표면의 거칠기 및 광검출기 구성에 대한 시뮬레이션 기반 설계 개선을 통해 빛 수확 효율을 최적화한다.

제안 방법

• 5×5×5 cm³ 크기의 TeO₂ 결정에서 츄레노프 광자 생성 및 전파를 모델링하기 위해 세밀한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• β 및 γ 입자가 결정 내에서 상호작용하는 것을 시뮬레이션하고, 츄레노프 광자 방출 및 이후 검출기 구조 내 경로를 추적한다.
• 시뮬레이션에서 결정 표면의 거칠기를 변화시켜 광자 산산조각 내림 및 탐지 효율에 미치는 영향을 평가한다.
• 광검출기 위치 및 설계를 최적화하여 광자 수집을 극대화하고, 기존 R&D 검출기 성능과 비교 분석한다.
• 광자 수율 변동성을 분석하여, 츄레노프 빛 서명을 기반으로 β 및 γ 사건을 신뢰성 있게 구분할 수 있는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개선된 표면 거칠기 및 검출기 설계를 통해 TeO₂ 냉각검출기에서 츄레노프 빛 수율을 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ2 츄레노프 광자 방출의 내재된 변동성이 β 및 γ 상호작용을 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ3 시뮬레이션된 광자 수율은 현재 R&D 검출기에서 측정된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 최적 조건에서 5×5×5 cm³ 크기의 TeO₂ 결정에서 탐지 가능한 츄레노프 빛 수율의 최대치는 얼마인가?
• RQ5 냉각검출기 0νDBD 실험에서 배경 제거를 위한 츄레노프 빛 사용의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 최적화된 표면 거칠기 및 향상된 광검출기 설계를 통해 5×5×5 cm³ 크기의 TeO₂ 냉각검출기에서 탐지 가능한 츄레노프 빛 수율을 최대 58% 증가시킬 수 있다.
• 최적 조건에서의 시뮬레이션 광자 수율은 현재 R&D 검출기에서 측정된 값보다 높으며, 향상 여건이 여전히 크다는 것을 시사한다.
• 비록 수율이 증가했지만, 츄레노프 광자 수의 변동성으로 인해 β 및 γ 상호작용을 신뢰성 있게 구분하는 것은 불가능하다.
• 배경 제거의 주요 과제는 여전히 높은 탐지 효율을 갖더라도 β 및 γ 사건의 광자 서명이 구분되지 않는다는 점이다.
• 표면 거칠기는 광자를 검출기 쪽으로 산산조각 내는 데 핵심적인 역할을 하며, 이는 빛 수집을 극대화하기 위해 최적화되어야 한다.
• 본 연구는 츄레노프 태깅 전략이 α 제거에 실현 가능하다는 것을 확인했지만, 기본적인 광자 수율 변동성으로 인해 그 효과는 제한됨을 밝혔다.