[논문 리뷰] Particle discrimination in a NaI crystal using the COSINUS remote TES design

COSINUS Collaboration, G. Angloher외 39명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 20.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원격 전이 모서리 센서(remoTES) 설계를 사용한 냉각된 나트륨 이소티오시네이트(NaI)闪烁 calorimeter에서 이벤트별 입자 구별를 수행함을 보여준다. 동시에 격리된 진동수와 빛 방출 신호를 측정함으로써, 프로토타입는 전자/감마 이벤트와 핵 반응을 15 keV의 핵 반응 에너지 임계값까지 명확히 분리함으로써, 저배경 환경에서 NaI 결정을 사용한 직접적 암흑 물질 탐지의 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

The COSINUS direct dark matter experiment situated at Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy is set to investigate the nature of the annually modulating signal detected by the DAMA/LIBRA experiment. COSINUS has already demonstrated that sodium iodide crystals can be operated at mK temperature as cryogenic scintillating calorimeters using transition edge sensors, despite the complication of handling a hygroscopic and low melting point material. With results from a new COSINUS prototype, we show that particle discrimination on an event-by-event basis in NaI is feasible using the dual-channel readout of both phonons and scintillation light. The detector was mounted in the novel remoTES design and operated in an above-ground facility for 9.06 g$\cdot$d of exposure. With a 3.7 g NaI crystal, e$^-$/$γ$ events could be clearly distinguished from nuclear recoils down to the nuclear recoil energy threshold of 15 keV.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 NaI 결정에서 직접 암흑 물질 탐지에 적합한 입자 구별 성능을 입증하기 위해, 수분 흡수성과 낮은 융점 특성을 지닌 도전적인 물질인 NaI에서의 입자 구별 성능을 입증하는 것.
• NaI와 같은 취약한 흡수체 재료에 대해 remoTES 설계가 실용적인 독자 방법으로서 타당한지 검증하는 것.
• 고도의 이벤트별 구별 능력을 갖춘, 1 keV 이하의 에너지 임계값 성능을 달성하는 것.
• COSINUS 실험의 목표인 DAMA/LIBRA의 연간 주기 신호를 더 높은 에너지 해상도와 입자 식별 능력으로 검증하기 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• COSINUS 프로토타입는 별도의 실리콘 웨이퍼에 부착된 원격 전이 모서리 센서(remoTES)를 3.7 g의 NaI 결정에 금속선과 패드를 통해 열적으로 결합하였다.
• 각 이벤트에 대해 격리된 진동수와 빛 방출 신호를 동시에 기록함으로써, 입자 식별을 위한 双채널 독자 방식을 실현하였다.
• 냉각된 환경에서 밀리켈빈 온도로 작동하는 검출기의 캘리브레이션은 57Co 감마원과 AmBe 중성자원을 사용하였다.
• 이벤트의 빛 수율(LY) 대 진동수 에너지의 관계를 재구성하기 위해 가능도 기반의 밴드피팅 방법을 적용하였으며, 전자/감마 이벤트와 핵 반응을 구분하였다.
• 핵 반응 탐지의 에너지 임계값은 핵 반응 밴드에서 관측 가능한 최저 에너지 수준을 기반으로 15 keV로 결정되었다.
• 빛 감지기 반응의 비선형성은 매개변수 피팅 과정에서 고려되었으며, 특히 고에너지 영역에서 전자/감마 밴드에 영향을 미쳤다.

Figure 1 : Schematic of the remoTES detector. The TES is deposited on a wafer, which is separated from the absorber crystal. The coupling between the absorber and the TES consists of an Au-pad glued on the absorber surface and connected to the TES by two Au-wire bonds [ 6 ] .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원격 전이 모서리 센서(remoTES) 설계를 사용한 동시에 격리된 진동수와 빛 방출 신호를 측정함으로써, 냉각된 NaI 검출기에서 이벤트별 입자 구별가능성을 입증할 수 있는가?
• RQ2 수분 흡수성과 낮은 융점 특성을 지닌 물질인 NaI를 냉각된 열량측정 장치에서 사용할 수 있도록 remoTES 설계가 적합한가?
• RQ3 이중채널 방식을 사용한 NaI 기반 냉각 검출기에서 핵 반응 에너지 임계값은 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ4 NaI에서 핵 반응의 빛 수율(LY)은 전자/감마 이벤트와 비교해 어떻게 달라지며, 에너지에 따라 변하는가?
• RQ5 지상 환경에서 전자/감마 밴드 아래에 뚜렷한 핵 반응 밴드가 관측 가능한가?

주요 결과

• remoTES 설계는 수분 흡수성과 낮은 융점 특성을 지닌 NaI 결정을 밀리켈빈 온도에서 냉각된 스캐터링 열량측정기로 작동시킬 수 있었으며, 이는 성공적인 구현을 의미한다.
• 지상 환경에서도 기준 에너지 해상도 2 keV를 확보하여 remoTES 접근법의 견고성을 입증하였다.
• 빛 수율(LY) 대 진동수 에너지의 2차원 히스토GRAM에서 전자/감마 이벤트와 핵 반응이 명확히 분리되었으며, 전자/감마 밴드 아래에 뚜렷한 핵 반응 밴드가 관측되었다.
• 100 keV 이상의 에너지에서 핵 반응의 억제된 빛 수율은 약 0.5 수준이었으며, 이는 NaI에서 기대되는 억제 행동과 일치하였다.
• 핵 반응 에너지 임계값은 15 keV로 결정되었으며, 이 에너지 이하의 이벤트는 검출기의 에너지 임계값으로 인해 구분되지 않았다.
• 고에너지 영역에서 전자/감마 밴드의 기울어진 경향은 빛 감지기 반응의 증가하는 비선형성 때문으로 추정되었으며, 이는 매개변수 피팅 과정에서 보정되었다.

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