[논문 리뷰] Quenching factor measurement for NaI(Tl) scintillation crystal

H. W. Joo, H. S. Park외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 KRISS의 DD109 중성자 발생기에서 발생하는 2.43-MeV 단에너지 중성자를 이용해 NaI(Tl)闪烁 결정의 끄는 인자(QF)를 측정한다. 핵반발 에너지 9–152 keV(Na) 및 19–75 keV(I) 범위에서 나트륨과 요오드 반발에 대해 각각 10–23% 및 4–6%의 QF 값을 보고하며, 이는 이전 측정보다 향상된 정밀도를 보이며, NaI(Tl) 검출기를 사용한 직접 암흑물질 탐색에 필수적인 캘리브레이션 데이터를 제공한다.

ABSTRACT

Scintillation crystals are commonly used for direct detection of weakly interacting massive particles (WIMPs), which are suitable candidates for a particle dark matter. It is well known that the scintillation light yields are different for electron recoil and nuclear recoil. To calibrate the energies of WIMP-induced nuclear recoil signals, the quenching factor (QF) needs to be measured, which is the light yield ratio of the nuclear recoil to electron recoil. Measurements of the QFs for Na and I recoils in a small (2 cm x 2 cm x 1.5 cm) NaI(Tl) crystal are performed with 2.43-MeV mono-energetic neutrons generated by deuteron-deuteron fusion. Depending on the scattering angle of the neutrons, the energies of the recoiled ions vary in the range of 9 - 152 keV for Na and 19 - 75 keV for I. The QFs of Na are measured at 9 points with values in the range of 10 - 23 % while those of I are measured at 4 points with values in the range of 4 - 6 %.

연구 동기 및 목표

• 직접 암흑물질 탐색에 사용하기 위해 고정밀도로 NaI(Tl) 스크린레이션 결정에서 Na 및 I 반발에 대한 끄는 인자(QF)를 측정하는 것.
• 특히 트리거 및 노이즈 컷 임계값을 포함한 검출기 효율 보정을 체계적으로 고려하여 QF 값의 불확도를 줄이는 것.
• DAMA/LIBRA 실험과 동일한 타겟 물질을 사용하는 COSINE-100 실험을 위해 캘리브레이션된 QF 데이터를 제공하는 것.
• 단에너지 중성자를 이용하고 에너지 스펙트럼 분석을 향상시켜 이전의 QF 측정치 간의 모순을 해결하는 것.

제안 방법

• 2.43-MeV 단에너지 중성자는 KRISS의 DD109 중성자 발생기에서 디우터늄-디우터늄 융합 반응을 통해 생성되었다.
• 2 cm × 2 cm × 1.5 cm 크기의 NaI(Tl) 결정을 소스에서 150 cm 떨어진 곳에 위치시켜 조사하였으며, 중성자 산산조각 반사 각도를 변화시켜 다양한 반발 에너지를 얻었다.
• 광다이오드 튜브를 사용하여 스크린레이션 빛 펄스를 검출하였고, 59.54 keV의 241Am 감마원을 이용해 전자에 해당하는 에너지(Eee)를 캘리브레이션하였다.
• 핵반발 에너지(Enr)는 중성자 산산조각 운동역학을 고려한 GEANT4 툴킷을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 결정하였다.
• 트리거 및 노이즈 컷 임계값의 효율 보정은 정규분포 피팅 파라미터(qc, qt)를 사용하여 적용하였으며, 불확도는 제곱합을 통해 전파되었다.
• 끄는 인자는 QF = Eee / Enr로 계산되었으며, 통계적 및 체계적 불확도는 오차 전파를 통해 통합되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 9–152 keV 반발 에너지 범위에서 NaI(Tl)에서 나트륨 반발에 대한 끄는 인자는 얼마인가?
• RQ2 19–75 keV 반발 에너지 범위에서 NaI(Tl)에서 요오드 반발에 대한 끄는 인자는 얼마인가?
• RQ3 트리거 및 노이즈 컷 보정의 효율이 NaI(Tl) 검출기에서 QF 측정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이번에 측정한 QF 값은 이전의 라디오 nuclide 및 중성자 발생기 기반 측정 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 나트륨 반발에 대한 끄는 인자는 9–152 keV 반발 에너지 범위에서 10%에서 23% 사이로 변동하며, 9 keV에서 최저값(10%)을, 152 keV에서 최고값(23%)을 기록한다.
• 요오드 반발에 대한 끄는 인자는 19–75 keV 반발 에너지 범위에서 4%에서 6% 사이로 변동하며, 에너지가 증가함에 따라 약간 증가하는 경향을 보인다.
• 이 연구에서 측정한 Na 및 I에 대한 QF 값은 Collar, Xu 등 및 Stiegler 등이 최근에 보고한 고정밀 측정치와 일치하지만, 불확도가 더 작다.
• COSINE 실험의 탐지 임계값과 관련하여 약 1 keV의 전자에 해당하는 에너지 임계값(9 keV 나트륨 반발에 해당)을 보고하였다.
• 트리거 효율 및 노이즈 컷 효율 보정을 정규분포 피팅 파라미터를 사용해 체계적으로 고려함으로써 QF 측정의 불확도가 감소하였다.
• 결과는 캘리브레이션된 QF를 통해 정확한 핵반발 에너지 재구성 가능성을 보장함으로써, NaI(Tl) 결정을 직접 암흑물질 탐색에서 타겟 물질로 사용하는 데 유리하다고 지지한다.