[論文レビュー] Optimization and performance of the CryoCube detector for the future RICOCHET low-energy neutrino experiment

T. Salagnac, J. Billard+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2021

Superconducting and THz Device Technology被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、低エネルギーニュートリノ実験Ricochet用に、高純度ゲルマニウム結晶とNTD-Ge熱センサを備えたCryoCube検出器アレイの最適化と性能評価を提示している。二重熱／イオン化読み出しにより、50 eVのエネルギー閾値と高い粒子識別効率を達成した。研究では、不完全な電荷収集率が1%であり、効果的なバックグラウンド抑制が可能な場合、CryoCubeは50日間で17.3σのCENNS検出有意度を達成できることを示した。これにより、標準模型を超える新しい物理学の探査において、前例のない精度が可能となる。

ABSTRACT

The RICOCHET reactor neutrino observatory is planned to be installed at Institut Laue-Langevin starting in mid-2022. The scientific goal of the RICOCHET collaboration is to perform a low-energy and percentage-precision CENNS measurement in order to explore exotic physics scenarios beyond the standard model. To that end, RICOCHET will host two cryogenic detector arrays : the CryoCube (Ge target) and the Q-ARRAY (Zn target), both with unprecedented sensitivity to O(10)eV nuclear recoils. The CryoCube will be composed of 27 Ge crystals of 38g instrumented with NTD-Ge thermal sensor as well as aluminum electrodes operated at 10mK in order to measure both the ionization and the heat energies arising from a particle interaction. To be a competitive CENNS detector, the CryoCube array is designed with the following specifications : a low energy threshold ($\sim 50$eV), the ability to identify and reject with a high efficiency the overwhelming electromagnetic backgrounds (gamma, betas, X-rays) and a sufficient payload ($\sim 1$kg). After a brief introduction of the future RICOCHET experiment and its CryoCube, the current works and first performance results on the optimization of the heat channel and the electrode designs will be presented. We conclude with a preliminary estimation of the CryoCube sensitivity to the CENNS signal within RICOCHET.

研究の動機と目的

• 共鳴弾性ニュートリノ核散乱（CENNS）検出を目的とした、100 eV未満のエネルギー閾値を達成する冷凍ゲルマニウム検出器アレイの開発。
• 熱およびイオン化チャネルの性能最適化により、約100 eVまで高エネルギー分解能と粒子識別能力を実現。
• 高度な電極設計と信号識別を用いて、電磁気的および熱のみのイベントからのバックグラウンドを最小限に抑える。
• 数日以内に5σのCENNS検出有意度を達成し、2年間のデータ取得後に2%〜8%の精度測定を実現。
• 高精度なCENNS測定を基に、スカラー中性子や非標準相互作用を含む、新しい物理学のシナリオを感受的に探査可能とする。

提案手法

• NTD-Ge熱センサとアルミ電極を備えた27個の高純度ゲルマニウム結晶（各38 g）の設計および製造を行い、二重熱およびイオン化読み出しを実現。
• 15 mKの冷却系に1 K段階を備え、銅の赤外遮蔽容器を用いた電子機器用の冷却システムを実装。
• 検出器質量およびセンサ特性に基づいて性能を予測するため、熱的エネルギー分解能を最適化するための電気的・熱的モデルを構築。
• 400 Hzの変調を用いたAC JFETベースの電子回路により、22 eV（RMS）のベースライン熱分解能を達成。表面試験では最良で17 eV（RMS）の性能を示した。
• 350 µsの一致時間窓を備えたミューオン遮断システムを導入し、ライブタイム損失を低減し、宇宙線由来バックグラウンドを抑制。
• GEANT4ベースのILLバックグラウンドモデルを用いたMCシミュレーションにより、ベースラインおよび最悪ケースのシナリオ下でのCENNS感度を予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CENNS検出のための冷凍ゲルマニウムアレイで、50 eVの熱エネルギー閾値を達成する最適な検出器設計は何か？
• RQ2 イオン化および熱読み出しをどのように最適化すれば、100 eVまで高粒子識別効率を達成できるか？
• RQ3 不完全な電荷収集がCENNS信号抽出に与える影響は何か？ また、その影響を最小限に抑える方法は？
• RQ4 低エネルギーのバックグラウンド過剰（例：熱のみのイベント）がCENNS感度に与える影響は何か？ 有効な緩和戦略は？
• RQ5 CryoCubeアレイは、50日間および2年間のデータ取得後に、それぞれのCENNS検出有意度と精度はどの程度か？

主な発見

• CryoCube検出器は、33.4 gのゲルマニウムプロトタイプを用いて、22 eV（RMS）のベースライン熱エネルギー分解能を達成。AC JFET電子回路を用いることで、最良で17 eV（RMS）の性能を示した。
• FID設計では不完全な電荷収集率が1%に制限され、PL設計では10%に留まる。核反発帯への漏れは0.3%未満。
• 350 µsの一致時間窓を備えたミューオン遮断システムにより、ライブタイム損失が効果的に抑制され、高いデータ取得効率が維持された。
• 最悪ケースのシナリオ（低エネルギー熱のみのバックグラウンド過剰）下では、イオン化閾値の緩和に起因し、有効なCENNS閾値が250 eVにまで上昇した。
• 17.3σのCENNS検出有意度が、1つの原子炉サイクル（50日間）で予測された。2年間のデータ取得後には2%〜8%の精度測定が可能である。
• 粒子識別が行われない場合、電磁気的および熱のみのバックグラウンドが圧倒的であるため、CENNS検出は著しく困難であると結論づけられた。