[論文レビュー] Measurement of the cosmogenic activation of germanium detectors in EDELWEISS-III

the EDELWEISS Collaboration, E. Armengaud+47 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ダークマター探索に用いられるゲルマニウム検出器における宇宙線誘発活性化の最初の直接測定を提示し、特に3H、49V、55Fe、65Zn、および68Geの生成率を定量的に評価している。測定された生成率は、3Hが82 ± 21 核分/日/kg、49Vが2.8 ± 0.6、55Feが4.6 ± 0.7、65Znが106 ± 13、68Geが74 核分/日/kg（90%信頼水準の下限）であり、これらはこれまでで最も正確な値であり、既存のモデルと顕著な乖離を示しており、核反応断面積予測の改善が不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

We present a measurement of the cosmogenic activation in the germanium cryogenic detectors of the EDELWEISS III direct dark matter search experiment. The decay rates measured in detectors with different exposures to cosmic rays above ground are converted into production rates of different isotopes. The measured production rates in units of nuclei/kg/day are 82 $\pm$ 21 for $^3$H, 2.8 $\pm$ 0.6 for $^{49}$V, 4.6 $\pm$ 0.7 for $^{55}$Fe, and 106 $\pm$ 13 for $^{65}$Zn. These results are the most accurate for these isotopes. A lower limit on the production rate of $^{68}$Ge of 74 nuclei/kg/day is also presented. They are compared to model predictions present in literature and to estimates calculated with the ACTIVIA code.

研究の動機と目的

• EDELWEISS-IIIダークマター実験で用いられるゲルマニウム検出器における特定の核種の宇宙線誘発活性化率を測定すること。
• 20 keV未満のX線やベータ崩壊を引き起こす核種の定量的評価により、低エネルギーWIMP探索におけるバックグラウンドを低減すること。
• ゲルマニウムにおける宇宙線誘発核種生成の理論的モデルを制約および改善するための正確なデータを提供すること。
• トリチウム（3H）および他の電子捕獲崩壊核種が検出器感度に与える影響を評価すること。
• 測定された生成率をACTIVIAコードおよび他のモデルの予測と比較し、系統的な乖離を特定すること。

提案手法

• EDELWEISS-III実験の13個のゲルマニウム検出器を、地下設置前の宇宙線露出時間の異なる複数の期間にわたり表面で露出させ、測定を実施した。
• 冷温検出器で記録されたガンマ線およびX線スペクトルから、3H、49V、55Fe、65Zn、68Geなどの核種の崩壊率を抽出した。
• 測定された崩壊率を、検出器質量、露出時間、崩壊定数を補正して、核分/日/kg単位の生成率に変換した。
• 統計的および系統的不確実性を伝搬させ、信頼区間を伴った最終的な生成率値を決定した。
• データをACTIVIAコードおよび文献に掲載されたモデル（MENDL-2Pおよび半経験的断面積）と比較した。
• 結晶化前の露出履歴の影響を評価するため、異なる仮定の下でデータにフィットし、68Geの生成率について90%信頼水準での下限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面で宇宙線に露出したゲルマニウム検出器におけるトリチウム（3H）の実際の生成率はいかほどか？
• RQ2 49V、55Fe、65Zn、68Geの測定された宇宙線誘発活性化率は、ACTIVIAコードおよび他のモデルの予測とどのように異なるか？
• RQ3 ゲルマニウムの結晶化前の露出履歴が、68Geのような宇宙線誘発核種の飽和度にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 既存のモデルが3H、65Zn、68Geの生成率を2〜3倍程度の系統的誤差で低く予測している理由は何か？
• RQ5 測定値とモデルとの乖離は、特定核種のニュートロン誘発励起関数の不確実性に起因する可能性があるか？

主な発見

• ゲルマニウム検出器における3H生成率の最初の直接測定により、82 ± 21 核分/日/kgの値が得られ、低質量WIMP探索に大きな影響を及ぼす可能性がある。
• 65Znの測定生成率は106 ± 13 核分/日/kgであり、調査された核種の中で最高であり、先行研究[4]の測定値の2.8倍にのぼる。
• 68Geの生成率について90%信頼水準で74 核分/日/kgの下限が設定され、これは先行研究[4]で報告された値の2.5倍に相当する。
• 49Vおよび55Feの生成率（それぞれ2.8 ± 0.6および4.6 ± 0.7 核分/日/kg）は、これまでで最も正確な測定値であり、ACTIVIA予測と最もよく一致している。
• 3H、65Zn、68Geの測定値と予測値の乖離は1.7σから6σの範囲にのび、現在のモデル仮定に顕著な欠陥があることを示している。
• 本研究により、異なる核種においてモデル予測が最大で2倍のばらつきを示すことが明らかとなり、核反応断面積データの改善が強く求められている。