[論文レビュー] Commissioning of the COBRA demonstrator and investigation of surface events as its main background

J. Tebrügge|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ニュートリノless二重ベータ崩壊を探索するための低バックグラウンド実験であるCOBRAデモンストレータの起動について述べている。表面イベントが主なバックグラウンドであることが判明し、詳細なラボ測定とシミュレーションにより、検出器固有の表面感度が特定された。収集アノードでは非収集アノードよりも約3倍高い感度を示した。改良されたガードリング装置により、残存するアルファ粒子イベントが千分率レベルまで低下し、表面イベントの識別性能が著しく向上した。

ABSTRACT

The COBRA collaboration investigates 0νββ-decays (neutrinoless double beta-de- cays). Therefore, a demonstrator setup using coplanar-grid CdZnTe detectors is operated at the LNGS underground laboratory. In this work, the demonstrator was commissioned and completed, which is discussed extensively. The demonstrator works reliably and collects low-background physics data. One result of the analysis of the data is that surface events are the dom- inating background component. To better understand and possibly discriminate this background, surface events were studied in detail. This was done mainly us- ing laboratory measurements. For a better interpretation of these measurements, simulations of particle trajectories and ranges were done. The surface sensitivity tests showed large differences between the individual detectors. Often, a dead-layer was determined, especially at the surfaces where the non-collecting anode (NCA) is the outermost anode rail. Due to this, the sensitivity of the surfaces where the collecting anode (CA) is adjacent was typically about a factor of three larger than the NCA sensitivity. A comparison of the pulse shape analysis methods LSE and A/E was done. Laboratory measurements indicate, that the latter performs bet- ter. Alpha scanning measurements were done to spatially investigate the surface sensitivity. Plausible variations were measured. However, no hints were found how to improve the surface event recognition. The instrumentation of the guard ring, which surrounds the anode structure, was tested and improved the surface event discrimination significantly. The fraction of surviving alpha events was at a per-mill level. Furthermore, the electron mobility was determined to (968±28) cm^2/(Vs) is in very good agreement with literature values. A variation at the detector edges was found. Important steps for a future large-scale COBRA experiment are discussed briefly, mainly the use of an integrated read-out system. Overall, the results indicate a large potential in background reduction for the COBRA experiment.

研究の動機と目的

• 低バックグラウンド物理学データ収集を目的としたCOBRAデモンストレータのセットアップを起動および検証すること。
• CdZnTe検出器における主要なバックグラウンド要因としての表面イベントを特定・特徴づけること。
• 収集アノードと非収集アノードの間での検出器固有の表面感度の違いを調査すること。
• 表面イベント識別を向上させるためのパルス形状解析手法（LSE対 A/E）の評価。
• ガードリング装置の最適化を試み、表面イベントの遮断性能を向上させること。

提案手法

• LNGS地下実験施設におけるコプラナー・グリッドCdZnTe検出器を用いたCOBRAデモンストレータの運用。
• アルファ源を用いたラボ測定により、検出器表面全体の空間的感度をマップする表面イベントの測定。
• 粒子の軌道と侵入深さのシミュレーションにより、実験的表面感度データを解釈。
• LSEおよびA/Eの両手法を用いたパルス形状解析を適用し、表面イベントを識別。
• 表面イベントバックグラウンドを抑制するためのガードリング装置の実装とテスト。
• 検出器応答解析による電子移動度の測定により、(968±28) cm²/(Vs) の値が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COBRAデモンストレータにおける主なバックグラウンド成分は何か。また、検出器表面全体でどのように変化するか。
• RQ2 コプラナー・グリッドCdZnTe検出器において、収集アノードと非収集アノードの周辺における表面感度の違いは何か。
• RQ3 表面イベントの識別性能が優れているのは、LSE手法かA/E手法か。
• RQ4 ガードリング装置の最適化により、残存表面イベントの割合はどの程度まで低減できるか。
• RQ5 電子移動度は検出器全体でどのように変化するか。また、文献値と一致するか。

主な発見

• COBRAデモンストレータの低バックグラウンドデータにおいて、表面イベントが主なバックグラウンド成分であることが特定された。
• 収集アノードに隣接する表面の感度は、非収集アノードに隣接する表面の感度のおよそ3倍高かった。
• ラボ測定の結果、A/Eパルス形状解析手法がLSEよりも表面イベント識別性能に優れていることが示された。
• ガードリング装置の最適化後、残存アルファ粒子イベントの割合が千分率レベルまで低下した。
• 電子移動度は(968±28) cm²/(Vs) と測定され、文献値と非常に良好に一致したが、検出器の縁部で変動が観察された。
• これらの結果は、将来的な大規模COBRA実験において、最適化された検出器設計と読み出しシステムにより、バックグラウンド低減の大きな可能性を示している。