[논문 리뷰] Phonon and charge signals from IR and X excitation in the SELENDIS Ge cryogenic detector

H. Lattaud, Q. Arnaud외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 적외선 레이저 조명과 Neganov-Trofimov-Luke (NTL) 효과를 이용하여 3.3g의 냉각된 게르마늄 검출기에서 단일 전자-정공 쌍 탐지의 가능성을 입증한다. 1550 nm에서 쌍 생성에 대한 양자 수율은 거의 100%에 도달하며, 54 V 역행전압에서 쌍 사건의 포isson 분포를 해석함으로써 에너지 해상도의 제한에도 불구하고 단일 쌍 감도를 확인한다 (40 eV RMS).

ABSTRACT

The aim of the SELENDIS project within the EDELWEISS collaboration is to observe single $e^- h^+$ pairs in lightweight (3.3 g) cryogenic germanium bolometers with charge and phonon readout at biases up to $\sim 100$ V. These devices are ideal to characterize in detail the mechanism of charge creation and collection in cryogenic germanium detectors. Electron-hole pairs are produced in the bulk of the detector either by the injection of pulsed IR laser or by neutron activation of germanium inducing the K, L and M lines from $^{71}$Ge electron capture decays. Low-energy laser pulses are also used to probe the single $e^- h^+$ pair sensitivity of Ge bolometers. Preliminary results are used to compare these two modes of charge creation, an important step toward a detailed characterization of Ge bolometers for their use in sub-MeV Dark Matter (DM) searches.

연구 동기 및 목표

• 서브-MeV 어둠성 물질 탐색을 위한 경량 냉각 Ge 봄비터에서의 전하 생성 및 수확 메커니즘을 특성화하기 위해.
• 단일 e−h+ 쌍 감도를 탐색하기 위해 IR 레이저 유도 및 중성자 활성화 X선 조명을 비교하기 위해.
• 저에너지 Ge 검출기에서 전하 신호를 증폭하기 위해 Neganov-Trofimov-Luke 효과의 사용을 검증하기 위해.
• EDELWEISS-SubGeV 프로젝트의 향후 검출기들을 위한 기초 성능 기준을 설정하기 위해.

제안 방법

• 1310, 1550, 1650 nm에서 펄스형 IR 레이저 다이오드를 사용하여 3.3g 고순도 Ge 결정체를 조명하여 e−h+ 쌍 생성의 양자 수율을 조사하였다.
• NTL 효과를 통해 전하 이동 및 신호 증폭을 향상시키기 위해 최대 100 V의 고역전압을 적용하였다.
• 저에너지 캘리브레이션을 위해 K- 및 L-선(10.37, 1.3 keV)의 2차원 열 및 이온화 에너지 스펙트럼을 사용하였다.
• 54 V 역전압에서 제어된 에너지 투입(1.4–2.8 쌍)에 따른 레이저 펄스의 격리파동 및 전하 신호를 측정하였다.
• 관측된 에너지 스펙트럼을 평균값이 σ ≈ 40 eV인 가우시안과 컨볼루션한 포isson 분포로 모델링하기 위해 피팅하였다.
• 백그라운드를 억제하기 위해 ROOT 프레임워크를 사용하고 펄서 트리거를 이용한 공진도 검출을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1310–1650 nm의 적외선 파장에서 밴드 갭 근처에서 Ge에서 e−h+ 쌍 생성의 양자 수율은 얼마인가?
• RQ2 Neganov-Trofimov-Luke 효과가 냉각된 Ge 검출기에서 단일 전자-정공 쌍의 탐지를 가능하게 하는가?
• RQ3 관측된 전하 신호 분포가 단일 쌍 사건에 대한 예상 포isson 통계와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 저에너지 레이저 조명 조건에서 검출기의 에너지 해상도와 신호 정확도는 어떠한가?
• RQ5 71Ge 붕괴에서 유도된 X선 캘리브레이션과 비교할 때 레이저 유도 신호의 선형성과 재현성은 어떠한가?

주요 결과

• 1550 nm 레이저는 e−h+ 쌍 생성에 대해 거의 100%의 양자 수율을 달성하여 1310 및 1650 nm 파장보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 54 V 역전압에서 쌍 사건의 포isson 분포를 해석하였으며, 두 펄스 폭에 대해 각각 2.82 ± 0.08 및 1.38 ± 0.04 쌍의 피팅 평균값을 확보하였다.
• 관측된 에너지 해상도는 40 eV RMS였으며, 개별 Npair 피크를 해상하지 못할 정도로 부족하지만 포isson 유사 통계를 확인하는 데에는 충분했다.
• NTL 효과는 전하 신호를 증폭시켜 단일 e−h+ 쌍에 해당하는 3 eV 이하의 에너지 투입도 탐지할 수 있도록 하였다.
• 펄스 폭을 반으로 줄였을 때 기대되는 2배의 비율(2.82 대 1.38)이 관측되어 신호의 선형성이 확인되었다.
• 시간이 지남에 따라 K선 전하 수확에 변화가 없었으며, 이는 IR 캘리브레이션 기간 동안 검출기 성능이 안정적임을 시사한다.