[논문 리뷰] Sources of Low-Energy Events in Low-Threshold Dark Matter Detectors

Peizhi Du, Daniel Egaña-Ugrinovic외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 156인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초광속 입자나 방사성 입자가 검출기 재료와 상호작용함으로써 발생하는 고에너지 입자에 기인한 측정 오차로, sub-GeV 다크 매터 검출기에서 찌르스키 방사, 전이 방사, 재결합 빛나는 현상이 주요 저에너지 배경임을 규명한다. 이들은 SENSEI, SuperCDMS HVeV, SuperCDMS SNOLAB에서 관측된 단일 전자 사건의 대부분을 설명하며, 향후 검출기 설계 및 감도 한계에 영향을 미친다.

ABSTRACT

We discuss several low-energy backgrounds to sub-GeV dark matter searches, which arise from high-energy particles of cosmic or radioactive origin that interact with detector materials. We focus on Cherenkov radiation, transition radiation, and luminescence or phonons from electron-hole pair recombination, and show that these processes are an important source of backgrounds at both current and planned detectors. We perform detailed analyses of these backgrounds at several existing and proposed experiments. We find that a large fraction of the observed single-electron events in the SENSEI 2020 run originate from Cherenkov photons generated by high-energy events in the Skipper-CCD, and from recombination photons generated in a phosphorus-doped layer of the same instrument. In a SuperCDMS HVeV 2020 run, Cherenkov photons produced in the sensor holders likely explain the origin of most of the events containing 2 to 6 electrons. At SuperCDMS SNOLAB, Cherenkov radiation from radioactive contaminants in Cirlex could dominate the low-energy backgrounds. For EDELWEISS, Cherenkov or luminescence backgrounds are subdominant to their observed event rate, but could still limit the sensitivity of their future searches. We also point out that Cherenkov radiation, transition radiation, and recombination could be a significant source of backgrounds at future experiments aiming to detect dark-matter via scintillation or phonon signals. The implications of our results for sub-GeV dark-matter searches and for the design of future detectors are significant. In particular, several design strategies to mitigate these backgrounds can be implemented, such as minimizing non-conductive materials near the target, implementing active and passive shielding, and using multiple detectors. Finally, we speculate on the implications of our results for the development of quantum computers and neutrino detectors.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 입자가 검출기 재료와 상호작용함으로써 발생하는 sub-GeV 다크 매터 검출기 내 저에너지 배경을 규명하고 정량화하는 것.
• 찌르스키 방사, 전이 방사, 전자-정공 재결합에 의한 빛나는 현상이 거짓 신호의 원인이 되는 역할를 조사하는 것.
• 이러한 배경이 SENSEI, SuperCDMS, EDELWEISS와 같은 현재 및 향후 실험에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 차세대 다크 매터 검출기에서 이러한 배경을 완화하기 위한 설계 권고를 제시하는 것.
• 양자 컴퓨팅 및 중성미자 탐지 기술 분야에 미치는 광범위한 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• SENSEI, SuperCDMS HVeV, SuperCDMS SNOLAB, EDELWEISS와 같은 기존 및 계획 중인 실험의 배경 기여도에 대한 세부 분석.
• 센서 지지대 및 인이 도핑된 층과 같은 검출기 구성 요소에서의 찌르스키 광자 생성 모델링.
• 반도체 및 절연체에서 전자-정공 재결합에 의한 빛나는 현상과 격자 진동 신호 평가.
• 검출기 재료 내 고에너지 입자 상호작용에 기인한 전이 방사 기여도 평가.
• SENSEI 2020, SuperCDMS HVeV 2020, SuperCDMS SNOLAB의 실험 사건 데이터를 활용해 사건 기원 추적.
• 보호막 및 재료 선택 전략을 적용하여 배경 감소 잠재력 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SENSEI 2020 런에서 단일 전자 사건의 몇 퍼센트가 스킵퍼-CCD 내 고에너지 사건으로 인한 찌르스키 광자에 기인하는가?
• RQ2 인 도핑된 층에서의 재결합 광자는 SENSEI에서 저에너지 배경에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 SuperCDMS HVeV 2020 런에서 2~6 전자 사건의 기원은 무엇이며, 그 중 찌르스키 방사에 의해 발생하는 비율은 어느 정도인가?
• RQ4 Cirlex 재료 내 방사성 오염물질이 SuperCDMS SNOLAB의 저에너지 배경에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Cherenkov 또는 빛나는 현상 배경이 향후 EDELWEISS 탐색의 감도를 어느 정도 제한할 수 있는가?

주요 결과

• SENSEI 2020 런에서 관측된 단일 전자 사건의 다수는 스킵퍼-CCD 내 고에너지 사건으로 인한 찌르스키 광자에 기인한다.
• SENSEI 검출기의 인 도핑 층에서 발생하는 재결합 광자는 저에너지 배경에 상당한 기여를 한다.
• SuperCDMS HVeV 2020 런에서 센서 지지대 내에서 발생한 찌르스키 광자는 2~6 전자 사건의 대부분을 설명할 가능성이 높다.
• SuperCDMS SNOLAB에서 Cirlex 재료 내 방사성 오염물질에 의한 찌르스키 방사는 저에너지 배경을 지배할 수 있다.
• EDELWEISS의 경우 찌르스키 또는 빛나는 현상 배경은 관측된 사건률에 비해 열등한 비율을 차지하지만, 향후 감도에 영향을 줄 수 있다.
• 찌르스키 방사, 전이 방사, 재결합은 광방출 또는 격자 진동 탐지 방식을 사용하는 향후 실험에서 중요한 배경 원천으로 예상된다.