[논문 리뷰] Track length measurement of $^{19}$F$^+$ ions with the MIMAC Dark Matter directional detector prototype

Y. Tao, Beaufort, C.외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 05.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 MIMAC 방향성 암흑물질 탐지기의 5 cm 드리프트 프로토타입을 사용하여 6–26 keV의 저에너지에서 19F+ 이온에 대한 3차원 궤적 길이의 최초 실험 측정을 보고한다. 저자들은 측정된 궤적 길이와 시뮬레이션 간의 심각한 불일치를 고려하여, 고이득 미크로메가스 증폭 갭 내 이온의 후류 효과로 인한 공간 전하 효과를 원인으로 지목하고, 진짜 물리적 궤적 길이를 복원하기 위해 플래시-ADC 기반의 비대칭 인자 보정을 제안하며, 시뮬레이션과의 일치를 향상시킨다.

ABSTRACT

Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are one of the most preferred candidate for Dark Matter. WIMPs should interact with the nuclei of detectors. If a robust signal is eventually observed in direct detection experiments, the best signature to confirm its Galactic origin would be the nuclear recoil track direction. The MIMAC collaboration has developed a low pressure gas detector providing both the kinetic energy and three-dimensional track reconstruction of nuclear recoils. In this paper we report the first ever observations of $^{19}$F nuclei tracks in a $5$ cm drift prototype MIMAC detector, in the low kinetic energy range ($6$-$26$ keV), using specially developed ion beam facilities. We have measured the recoil track lengths and found significant differences between our measurements and standard simulations. In order to understand these differences, we have performed a series of complementary experiments and simulations to study the impact of the diffusion and eventual systematics. We show an unexpected dependence of the number of read-out corresponding to the track on the electric field applied to the $512\ \mathrm{\mu m}$ gap of the Micromegas detector. We have introduced, based on the flash-ADC observable, corrections in order to reconstruct the physical 3D track length of the primary electron clouds proposing the physics behind these corrections. We show that diffusion and space charge effects need to be taken into account to explain the differences between measurements and standard simulations. These measurements and simulations may shed a new light on the high-gain TPC ionization signals in general and particularly at low energy.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 19F+ 이온(6–26 keV)의 3차원 궤적 길이를 프로토타입 방향성 암흑물질 탐지기에서 측정하기.
• 저에너지 핵성 레코일 사건에서 측정된 궤적 길이와 표준 몬테카를로 시뮬레이션 간의 불일치를 조사하기.
• 특히 공간 전하 및 이온 후류와 같은 체계적 오차 효과를 식별하고 정량화하여 고이득 미크로메가스 탐지기에서 궤적 길이 측정에 영향을 미치는 원인을 규명하기.
• 플래시-ADC 신호 비대칭성을 이용한 보정 방법을 개발하고 검증하여 진짜 물리적 궤적 길이를 복원하기.

제안 방법

• 512 µm의 미크로메가스 증폭 갭을 가진 10.8×10.8×5 cm³의 MIMAC 프로토타입을 사용하였으며, 50 mbar에서 CF4/CHF3/i-C4H10 기체 혼합물로 작동하였다.
• 저에너지 19F+ 이온 빔은 LHI 및 COMIMAC 시설을 이용하여 잘 정의된 레코일 에너지를 제공하였다.
• 2차원 애노드 리더아웃(X 및 Y 스트립)과 그리드에서의 타임 샘플링 플래시-ADC 신호를 사용하여 전자 클라우드 드리프트의 3차원 재구성을 수행하였다.
• 플래시-ADC 신호의 상승 및 하강 시간을 분석하여, 공간 전하로 인한 효과적 드리프트 속도 감소를 보정하기 위한 '비대칭 인자'를 정의하였다.
• Garfield++를 사용한 시뮬레이션을 통해 전자 드리프트 및 앙피리언 발달을 모델링하였으며, 이온 후류 및 전기장 왜곡을 고려하여 조정하였다.
• 비대칭 인자에 기반한 체계적 보정을 적용하였으며, 이는 증폭 갭 내 증폭 증가 및 이온 밀도 증가와 관련이 있었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 MIMAC 프로토타입에서 6–26 keV의 19F+ 이온에 대해 측정된 3차원 궤적 길이가 표준 시뮬레이션에 의해 예측된 값보다 길게 측정되는가?
• RQ2 미크로메가스 증폭 갭 내 전기장이 저에너지 이온에 대해 애노드 리더아웃 수와 명시적 궤적 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이온 후류로 인한 공간 전하 효과가 전기장을 어떻게 왜곡시키며, 2차 전자들의 효과적 드리프트 속도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 플래시-ADC 신호의 비대칭성은 궤적 길이 측정의 체계적 왜곡을 보정하는 데 신뢰할 수 있는 관측량으로 사용될 수 있는가?
• RQ5 확산과 공간 전하 효과가 고이득 기체 TPC에서 저에너지 핵성 레코일 궤적 재구성에 공동으로 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 6–26 keV에서 19F+ 이온의 측정된 궤적 깊이는 표준 시뮬레이션에 의해 예측된 값보다 유의미하게 길었으며, 고려되지 않은 체계적 오차 효과를 시사하였다.
• 애노드 리더아웃 수는 적용된 앙피리언 전기장 증가에 따라 증가하였으며, 공간 전하 효과와 연관된 비선형적 의존성을 보였다.
• 플래시-ADC 신호는 증폭 증가에 따라 비대칭성이 증가하였으며(상승 시간 대비 하강 시간이 더 길어짐), 이는 이온 후류로 인한 효과적 드리프트 속도 감소를 나타내었다.
• 측정된 궤적 깊이에 비대칭 인자 보정을 적용한 결과, 시뮬레이션과 일치하는 값이 도출되었으며, 이는 공간 전하 왜곡을 완화하는 데 효과적임을 확인하였다.
• 이 연구는 이전에 표준 시뮬레이션에서 무시되었던 공간 전하 효과가 저에너지에서 고이득 미크로메가스 탐지기의 궤적 길이 재구성에 상당한 영향을 미친다는 것을 입증하였다.
• 확산은 궤적 길이에 미미한 영향을 미쳤지만, 이온 후류로 인한 공간 전하 효과가 궤적 길이 측정의 주요 체계적 오차 원인으로 규명되었다.