[論文レビュー] Optimization of the Cherenkov signal from TeO$_{2}$ bolometers

N. Casali|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノless二重ベータ崩壊探索におけるαバックグラウンドの遮断を向上させるために、TeO2ボロメータにおけるチェレノフスキー光検出を最適化する。光の伝播をシミュレートし、結晶表面の粗さと光検出器の設計を改善することで、検出可能なチェレノフスキー光子の数に最大58％の増加が示されたが、光子生成量の変動のため、β/γの識別は依然として不可能である。

ABSTRACT

The most sensitive process able to probe the Majorana nature of neutrinos and discover Lepton Number Violation is the neutrino-less double beta decay (0$ u$DBD). A novel approach able to improve the sensitivity of the current bolometric experiments searching for this rare nuclear decay is the $\alpha$ background rejection. In TeO$_2$ bolometers the $\alpha$ particles rejection can be performed tagging the Cherenkov light emitted only by electrons. This approach was tested in several works which demonstrated the feasibility of this technique but, on the other hand, the amount of Cherenkov light detected was lower with respect to the expected one, undermining the complete rejection of $\alpha$ background. In this paper we compare the results obtained in these works with a detailed Monte Carlo simulation able to reproduce the number of Cherenkov photons produced in $\beta/\gamma$ interactions within the TeO$_2$ bolometer and their propagation in the experimental set-up. We demonstrate that the light yield detectable from a $5 imes5 imes5$ cm$^{3}$ TeO$_2$ bolometer can be increased up to 58% with respect to the one measured by the current R&D detectors increasing the surface roughness of the crystal and improving the light detector design. Moreover taking into account the intrinsic fluctuations of the number of Cherenkov photons we study the possibility to disentangle $\beta$ from $\gamma$ interactions that represent the ultimate background source. Unfortunately this discrimination is not feasible.

研究の動機と目的

• チェレノフスキー光検出の向上により、ニュートリノless二重ベータ崩壊（0νDBD）を探索するボロメトリック実験の感度を向上させること。
• 過去のR&D実験で観測された検出可能なチェレノフスキー光子の不足を是正し、効果的なα遮断を可能にする。
• チェレノフスキー光子生成量の固有の変動が、βとγの相互作用を識別可能にするかを調査すること。
• 結晶表面の粗さとフォトディテクタの配置のシミュレーション駆動による最適化を通じて、光収率を向上させること。

提案手法

• 5×5×5 cm³のTeO2結晶内におけるチェレノフスキー光子の生成と伝播をモデル化する詳細なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• β線およびγ線の結晶内での相互作用をシミュレートし、チェレノフスキー光子の発生とその後の検出器構成内での経路を追跡する。
• シミュレーションにおいて結晶表面の粗さを変化させ、光子の散乱および検出効率への影響を評価する。
• フォトディテクタの配置と設計を最適化し、光子収率を最大化する。既存のR&D検出器性能と比較する。
• 光子生成量の変動を分析し、チェレノフスキー光シグネチャに基づいてβとγイベントを区別可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面粗さと検出器設計の最適化により、TeO2ボロメータにおけるチェレノフスキー光子生成量はどの程度向上できるか？
• RQ2 チェレノフスキー光子発生量の固有の変動が、βとγの相互作用を信頼性高く識別可能にするか？
• RQ3 シミュレートされた光子生成量は、現在のR&D検出器で測定された値とどのように比較されるか？
• RQ4 最適化条件下で5×5×5 cm³のTeO2結晶で検出可能なチェレノフスキー光子生成量の最大値は何か？
• RQ5 ボロメトリック0νDBD実験におけるバックグラウンド遮断にチェレノフスキー光を用いる際の制限要因は何か？

主な発見

• 5×5×5 cm³のTeO2ボロメータにおいて、最適化された表面粗さと改善されたフォトディテクタ設計により、検出可能なチェレノフスキー光子生成量を最大58％まで向上できる。
• 最適化条件下でのシミュレート光子生成量は、現在のR&D検出器で測定された値を上回っており、大幅な改善の余地があることを示している。
• 光子生成量の増加にもかかわらず、光子数の変動のため、βとγの相互作用を信頼性高く区別することは不可能である。
• バックグラウンド遮断の主な課題は、βとγイベントの両方が同様の光シグネチャを持つことであり、検出効率を向上させても依然として解決されない。
• 表面粗さは、光子を検出器へと散乱させる上で極めて重要な役割を果たし、光子収率を最大化するには最適化が不可欠である。
• 本研究は、チェレノフスキー標識がα遮断に実用的な戦略であることを確認したが、根本的な光子生成量の変動がその有効性を制限していることを示している。