[論文レビュー] Phonon and charge signals from IR and X excitation in the SELENDIS Ge cryogenic detector

H. Lattaud, Q. Arnaud+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、赤外線レーザー励起とNeganov-Trofimov-Luke（NTL）効果を用いて、3.3gの低温ゲルマニウム検出器で単一電子・正孔対の検出を実証した。1550 nmでは、対生成の量子効率がほぼ100%に達し、54 Vの逆バイアスで対イベントのポisson分布が解像可能であり、エネルギー分解能の制限（40 eV RMS）にもかかわらず、単一対感度が確認された。

ABSTRACT

The aim of the SELENDIS project within the EDELWEISS collaboration is to observe single $e^- h^+$ pairs in lightweight (3.3 g) cryogenic germanium bolometers with charge and phonon readout at biases up to $\sim 100$ V. These devices are ideal to characterize in detail the mechanism of charge creation and collection in cryogenic germanium detectors. Electron-hole pairs are produced in the bulk of the detector either by the injection of pulsed IR laser or by neutron activation of germanium inducing the K, L and M lines from $^{71}$Ge electron capture decays. Low-energy laser pulses are also used to probe the single $e^- h^+$ pair sensitivity of Ge bolometers. Preliminary results are used to compare these two modes of charge creation, an important step toward a detailed characterization of Ge bolometers for their use in sub-MeV Dark Matter (DM) searches.

研究の動機と目的

• 低エネルギー暗黒物質探索を目的とした、軽量低温Geボロメータにおける電荷生成および収集メカニズムの特徴付け。
• 単一e−h+対感度を調べるための赤外線レーザー誘発と中性子誘発X線励起の比較。
• 低エネルギーGe検出器における電荷信号増幅にNeganov-Trofimov-Luke効果を用いることの妥当性の検証。
• EDELWEISS-SubGeVプロジェクトにおける将来の検出器のためのパフォーマンスベースラインの確立。

提案手法

• 1310、1550、1650 nmのパルスレーザーダイオードを用いて、高純度Ge結晶（3.3g）を照射し、e−h+対生成の量子効率を調査。
• 電荷のドリフトを促進および信号をNTL効果で増幅するため、高バイアス（最大100 V）を印加。
• 低エネルギーキャリブレーションに、K線およびL線（10.37、1.3 keV）からの2次元熱およびイオン化エネルギースペクトルを用いた。
• 54 Vバイアス下で、制御されたエネルギー付与（1.4–2.8対）を持つレーザーパルスからのフォノンおよび電荷信号を測定。
• 観測されたエネルギースペクトルを、幅σ ≈ 40 eVのガウス関数と畳み込んだポisson分布でフィッティングし、分解能をモデル化。
• バックグラウンドを低減するために、ROOTフレームワークを用いたデータ解析およびパルストリガ付き一致検出を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バンドギャップ付近の赤外波長（1310–1650 nm）におけるGeにおけるe−h+対生成の量子効率はいかほどか？
• RQ2 Neganov-Trofimov-Luke効果は、低温Ge検出器で単一電子・正孔対を検出可能にするか？
• RQ3 観測された電荷信号の分布は、単一対イベントの予想されるポisson統計とどの程度一致するか？
• RQ4 低エネルギーレーザー励起における検出器のエネルギー分解能および信号忠実度はどの程度か？
• RQ5 71Ge崩壊からのX線キャリブレーションと比較して、レーザー誘発信号の線形性および再現性はいかがなっているか？

主な発見

• 1550 nmレーザーは、e−h+対生成においてほぼ100%の量子効率を達成し、1310および1650 nm波長を上回った性能を示した。
• 54 Vバイアス下で、対イベントのポisson分布が解像され、2つのパルス幅に対してそれぞれ平均値2.82 ± 0.08および1.38 ± 0.04対のフィッティングが得られた。
• 観測されたエネルギー分解能は40 eV RMSであり、個々のNpairピークの解像には不十分であったが、ポisson型統計の確認には十分であった。
• NTL効果により電荷信号が増幅され、単一e−h+対に対応する3 eV未満のエネルギー付与の検出が可能になった。
• パルス幅を半分にしたときの平均対数比（2.82 対 1.38）が、期待される2倍の要因と一致し、信号の線形性が確認された。
• 時間経過に伴ってK線電荷収集に劣化は観察されず、赤外線キャリブレーション中における検出器の安定した性能が示された。