[論文レビュー] A study of the NaI(Tl) detector response to low energy nuclear recoils and a measurement of the quenching factor in NaI(Tl)

T. Stiegler, C. Sofka+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、ナトリウム核反発のクエンチング係数（QF）を、低エネルギー領域（8–48 keV）におけるNaI(Tl)シンチレーター結晶で測定した。モノエネルギーニュートロンビームとシンチレーター・パドルを用いた一致検出装置を用い、QFはエネルギー依存性を示し、低エネルギーで減少し、6–18%の値を示した。これはDAMAが報告した0.30よりも顕著に低く、最近の測定結果とより一致しており、ダークマター探索における軽量WIMPsの除外を強化する。

ABSTRACT

We analyzed the response of NaI(Tl) to low energy nuclear recoils in the experiment that is reported on here. Such detectors have been used recently to search for evidence of dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs). Understanding the response of these detectors to low energy nuclear recoils is crucial in these searches. We have measured nuclear recoils and associated quenching factors (QF) for sodium recoils in the energy range of 8 keV - 48 keV. The results are characterized by a decrease in QF as the recoil energy decreases. The measured values are significantly lower than those reported by DAMA, but are similar to results from recent measurements. We present the details of our experiment, including the neutron beam calibration, shielding optimization, and the experimental design and setup. The DAMA/LIBRA combined modulation signal is used with the new QF values to illustrate the changes to the dark matter interpretation resulting from this improved characterization of these NaI(Tl) detectors.

研究の動機と目的

• ダークマター探索に関連する低エネルギー領域（8–48 keV）におけるNaI(Tl)のナトリウム核反発のクエンチング係数（QF）を測定すること。
• 低反発エネルギー領域におけるQFの不確実性を低減することで、弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMP）検出のためのNaI(Tl)検出器応答特性を改善すること。
• 新たに測定したQF値を用いて、DAMA/LIBRAのダークマターモジュレーション信号を再評価し、軽量WIMPの質量および断面積制限に与える影響を評価すること。
• ニュートロンビームキャリブレーションとシンチレーター・パドル・カウンタを用いた一致時間測定により検出器応答を検証し、バックグラウンドを低減し信号の信頼性を向上させること。

提案手法

• 核反発を誘発するために、コリメートされたモノエネルギーニュートロンビームを2インチの円筒形NaI(Tl)結晶に照射した。
• バックストラックされたニュートロンを検出するために、NaI(Tl)結晶と一致するシンチレーター・パドル検出器を用い、イベント選別を改善した。
• 一致時間カットとシールド最適化を適用し、バックグラウンドを低減し、信号対雑音比を向上させた。
• クエンチング係数（QF）を、核反発エネルギー（keV nr）と同等の電子反発エネルギー（keV ee）の比として測定した。関係式 QF = E_nr / E_er を用いた。
• 電子クエンチングを修正した Lindhard モデルを用いて理論的QFを計算し、実験データと比較した。
• DAMA/LIBRAのモジュレーションスペクトル（2–10 keV ee）に対して、カイ二乗最小化を、元のQF値と新しいQF値の両方を用いて実施し、WIMPのフィット品質を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8–48 keVの低エネルギー領域におけるNaI(Tl)のナトリウム核反発のエネルギー依存性クエンチング係数は何か？
• RQ2 測定されたQF値は、DAMAが報告した値（0.30）および他の最近の測定結果とどのように比較できるか？
• RQ3 修正されたQF値は、軽量WIMPダークマターの文脈において、DAMA/LIBRAのモジュレーション信号の解釈にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 新しいQF値は、WIMP質量–断面積平面における統計的有意性と除外限界にどのように影響を与えるか？
• RQ5 低エネルギーで観測されたQFの低下は、電子クエンチングを修正した Lindhard モデルによる理論的予測と一致するか？

主な発見

• ナトリウム反発の測定クエンチング係数（QF）は、8–48 keV nr のエネルギー範囲で6%から18%の間であり、低エネルギーで明確に減少していることがわかった。
• 新しいQF値は、特に低エネルギー領域でDAMAが報告した0.30よりも顕著に低く、Collar（2013）およびXuら（2015）の最近の測定結果とより一致している。
• 軽量WIMP領域（約12 GeV/c²）では、フィットの悪化が顕著に現れ、カイ二乗の自由度を補正した値が13から37に上昇した。これは、新しいQFのもとでは軽量WIMPが強く否定されることを示している。
• 重いWIMP領域（約74 GeV/c²）はほとんど変化せず、これはヨウ素反発が支配的であり、ナトリウムQFの変化に敏感でないためである。
• 新しいQF値を用いると、軽量WIMPの1σおよび3σ除外領域が完全に消失し、軽量WIMP仮説が今や強く否定されることを示している。
• これらの結果は、以前のQF値が高めに設定されていたため、それらに基づくダークマターの制限はあまりに寛容であったことを示しており、矛盾する実験結果を解消するためには、低エネルギーキャリブレーションの向上が不可欠である。