[논문 리뷰] The ANAIS-112 experiment at the Canfranc Underground Laboratory

J. Amaré, S. Cebrián외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 10.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

Canfranc 지하 실험소에 위치한 ANAIS-112 실험은 112.5 kg의 고순도 NaI(Tl)闪烁체를 사용하여 DAMA/LIBRA에서 보고한 연간 주기성 신호를 검증함으로써 암흑물질 탐지의 가능성을 확인하고자 한다. 1 keV 에너지 임계값과 초저배경 조건을 갖추어 15 phe/keV의 빛 수확율을 달성하였으며, 평균적으로 40K 및 210Pb 활성도는 각각 1.0 mBq/kg 및 1.5 mBq/kg로 측정되어, 약한 상호작용을 갖는 거대입자(WIMPs)에 의해 발생할 수 있는 DAMA 신호를 탐지할 수 있는 민감도를 확보하였다.

ABSTRACT

The ANAIS experiment aims at the confirmation of the DAMA/LIBRA signal at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). Several 12.5 kg NaI(Tl) modules produced by Alpha Spectra Inc. have been operated there during the last years in various set-ups; an outstanding light collection at the level of 15 photoelectrons per keV, which allows triggering at 1 keV of visible energy, has been measured for all of them and a complete characterization of their background has been achieved. In the first months of 2017, the full ANAIS-112 set-up consisting of nine Alpha Spectra detectors with a total mass of 112.5 kg was commissioned at LSC and the first dark matter run started in August, 2017. Here, the latest results on the detectors performance and measured background from the commissioning run will be presented and the sensitivity prospects of the ANAIS-112 experiment will be discussed.

연구 동기 및 목표

• 동일한 타겟 물질(NaI(Tl))를 사용하지만 다른 지하 환경에서 DAMA/LIBRA가 보고한 연간 주기성 신호를 확인하기 위해.
• 낮은 에너지 임계값(≤2 keV ee)과 10 keV ee 이하의 배경 수준을 확보하여 잠재적 WIMP 신호에 대한 민감도를 확보하기 위해.
• 방사능 순수 재료, 능동적 외부 차폐, 라돈 억제를 통해 기기 및 환경 배경을 최소화하기 위해.
• 시스템적 제어를 위해 다중 트리거 및 모니터링 기능을 갖춘 안정적이고 장기적인 데이터 수집 시스템을 구축하기 위해.
• 객관성과 재현 가능성을 확보하기 위해 과학적 활용 후 블라인드 연간 주기성 분석 및 공개 데이터 배포를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• Alpha Spectra Inc.에서 공급한 아홉 대의 12.5 kg짜리 NaI(Tl) 검출기를 사용하여, 각기 두 개의 PMT와 OFE 구리 캡슐화를 갖춘 3×3 배열로 구성하여, 2450 m.w.e. 깊이의 Canfranc 지하 실험소에 설치하였다.
• 모든 검출기에서 15 phe/keV의 빛 수확율을 확보하여 1 keV의 시각 에너지에서 트리거링이 가능하게 하였으며, 빛 출력 및 에너지 해상도에 대한 완전한 특성 분석을 수행하였다.
• 다층 차폐 시스템을 적용: 10 cm의 고고도 고로, 20 cm의 저활동도 납, 40 cm의 중성자 조정재, 라돈이 없는 공기 순환, 그리고 플라스틱 스크린을 이용한 능동적 뮤온 비트를 포함하였다.
• 내재된 방사능으로 인한 배경을 최소화하기 위해, 게르마늄 검출기를 사용하여 모든 PMT의 방사능 순도를 선별하였다.
• 펄스 형상 분석 및 BiPo 순서 식별을 통해 알파 비율을 이용해 232Th 및 238U 활성도를 정량화하였으며, 감마선 및 공진합 기법을 통해 40K 및 210Pb 활성도를 측정하였다.
• Geant4를 사용하여 배경 스펙트럼을 시뮬레이션하였으며, 측정된 결정 활성도와 검출기 기하학적 구조를 반영하여 40K, 210Pb, 우주선 유도 방사성핵종 및 22Na 기여도를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ANAIS-112 실험이 동일한 NaI(Tl) 스크린터스를 사용하고 있지만 다른 지하 환경에서 DAMA/LIBRA가 관측한 연간 주기성 신호를 확인할 수 있는가?
• RQ2 특히 40K 및 210Pb에 기인한 2–6 keV ee 에너지 범위 내의 내재적 배경 수준은 얼마이며, 잠재적 WIMP 신호 탐지에 이를 충족시킬 수 있을 정도로 낮출 수 있는가?
• RQ3 특히 빛 수확율과 에너지 임계값을 포함한 검출기 성능이 민감한 연간 주기성 탐색에 필요한 조건을 충족하는가?
• RQ4 우주선에 의해 유도된 방사성핵종(예: 3H, 22Na)이 저에너지 배경에 어떤 기여를 하는가? 그리고 짧은 지하 노출 시간으로 인한 시간에 따라 변화하는 붕괴 특성을 통해 배경 모델을 검증할 수 있는가?
• RQ5 암흑물질 가정 하에 다섯 해 동안의 데이터 수집 후 ANAIS-112의 예상 민감도는 얼마이며, DAMA/LIBRA 결과와 일치하는 3σ 영역에서 연간 주기성 신호를 90% 신뢰수준으로 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• ANAIS-112 실험은 아홉 대의 모든 검출기에서 15 phe/keV의 빛 수확율을 확보하여 높은 성능을 입증하였으며, 1 keV의 시각 에너지에서 트리거링이 가능함을 확인하였다.
• 결정 내 평균 40K 활성도는 1.0 mBq/kg로 측정되었으며, 개별 값은 0.6에서 1.4 mBq/kg 사이로 변동하여 낮은 내재적 방사능과 일치하였다.
• 평균 210Pb 활성도는 1.5 mBq/kg였으며, 모든 검출기에서 평형 상태가 아닌 210Pb가 관측되어 이는 이전 노출로 인한 오염을 시사하였으며, 후기 생산된 결정에서는 이 오염이 감소한 것으로 나타났다.
• 시운전 기간(2017년 3월~7월)의 배경 스펙트럼은 우주선에 의해 유도된 활성도의 명확한 붕괴를 보였으며, 특히 마지막 검출기에서 두드러졌으며, 이는 시간에 따라 변화하는 배경 모델의 타당성을 검증하였다.
• D8 검출기의 배경 모델링 초도 결과는 데이터와 양호한 일치를 보였으며, 50 keV 근처에서 210Pb 기여가 두드러졌고, 짧은 지하 노출 시간으로 인해 우주선 기인 배경도 여전히 중요하게 기여하고 있었다.
• 다섯 해 동안의 데이터 수집 후의 민감도 예측 결과, WIMP 가정 하에 ANAIS-112는 DAMA/LIBRA 결과와 일치하는 3σ 영역에서 90% 신뢰수준으로 연간 주기성 신호를 탐지할 수 있을 것으로 예측되었다.