[論文レビュー] Efficiency of the topological signature in the NEXT-White detector

P. Ferrario, J. M. Benlloch-Rodríguez+87 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊探索のためのNEXT-White検出器において、トポロジカルなシグネチャーカットの効率を測定し、二重ベータ崩壊電子とバックグラウンドの単一電子イベントを区別する能力を評価する。⁶⁰Coキャリブレーション源を用いて1.6 MeVのエネルギー領域で実験を行い、シグナル効率は71.3 ± 1.5%、バックグラウンド受容率は20.3 ± 0.4%を達成した。これはシミュレーションと良好に一致しており、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊探索に重要な高エネルギー領域における性能がわずかに向上することが示唆された。

ABSTRACT

In experiments searching for neutrinoless double-beta decay, the possibility of identifying the two emitted electrons is a powerful tool in rejecting background events and therefore improving the overall sensitivity of the experiment. In this paper we present the first measurement of the efficiency of a cut based on the different event signatures of double and single electron tracks, using the data of the NEXT-White detector, the first detector of the NEXT experiment operating underground. Using a \TO calibration source to produce signal-like and background-like events with energies near 1.6 MeV, a signal efficiency of $71.3 \pm 1.5$ (fit)\% for a background acceptance of $20.3 \pm 0.4$ (fit)\% is found, in good agreement with Monte Carlo simulations. An extrapolation to the energy region of the neutrinoless double beta decay by means of Monte Carlo simulations is also carried out, and the results obtained show a slight improvement over those obtained at lower energies.

研究の動機と目的

• ニュートリノ無し二重ベータ崩壊実験における二重電子と単一電子イベントを区別するためのトポロジカルシグネチャーカットの有効性を評価すること。
• 地下に設置されたNEXT-White検出器の実データを用いて、このカットのシグナル効率とバックグラウンド受容率を測定すること。
• ⁶⁰Coキャリブレーション源からの実験データを用いて、モンテカルロシミュレーションによるイベントトポロジーの識別性能を検証すること。
• シミュレーションを用いた予測に基づき、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊に関連するエネルギー領域へのカット性能の外挿を実施すること。

提案手法

• NEXT-White検出器（NEXT実験の最初の地下検出器）は、1.6 MeV付近のイベントを生成する⁶⁰Coキャリブレーション源を用いて運転され、シグナルに類似した崩壊とバックグラウンドに類似した崩壊を模擬した。
• 二重電子と単一電子イベントの間でトラックの形状に顕著な差が生じることを踏まえ、空間的および運動的パターンの違いを活用したトポロジカルシグネチャーカットが適用された。
• 観測されたイベント分布のフィットを用いて、尤度に基づく手法により、シグナル効率とバックグラウンド受容率が抽出された。
• モンテカルロシミュレーションは、検出器の応答とイベントトポロジーをモデル化するために用いられ、データとの比較およびニュートリノ無し二重ベータ崩壊エネルギー領域への外挿が可能になった。
• カットの性能は1.6 MeVで評価され、シミュレーションを用いてエネルギー依存性を評価し、高エネルギー領域への性能予測が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NEXT-White検出器において1.6 MeVのエネルギー領域で、トポロジカルシグネチャーカットのシグナル効率とバックグラウンド受容率はそれぞれどの程度か？
• RQ2 モンテカルロシミュレーションは、実データにおけるトポロジカルカットの性能をどれほど正確に再現しているか？
• RQ3 ニュートリノ無し二重ベータ崩壊に重要な高エネルギー領域において、トポロジカルシグネチャーカットの有効性は維持されたり向上したりするか？
• RQ4 トポロジカルシグネチャーは、将来的なNEXT実験フェーズにおけるバックグラウンド抑制の強固なツールとして利用可能か？

主な発見

• トポロジカルシグネチャーカットは、NEXT-White検出器の1.6 MeV領域で、シグナル効率71.3 ± 1.5%、バックグラウンド受容率20.3 ± 0.4%を達成した。
• 測定された性能はモンテカルロシミュレーションと良好に一致しており、将来的なバックグラウンド抑制研究におけるシミュレーションフレームワークの妥当性が裏付けられた。
• モンテカルロシミュレーションによる外挿により、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊に重要な高エネルギー領域において、トポロジカルカットの識別性能がわずかに向上することが示唆された。
• これらの結果は、高純度キセノンベースの二重ベータ崩壊実験におけるバックグラウンドイベント抑制に、トポロジカルイベント再構築が実用的かつ効果的であることを確認した。