[论文解读] Pulse Shape Analysis with a Broad-Energy Germanium Detector for the GERDA experiment

D. Budjáš, Marik Barnabé Heider+3 more|ArXiv.org|Dec 9, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 5

一句话总结

本文提出使用宽能量区间的高纯锗探测器进行脉冲波形分析，以在低本底稀有衰变实验中区分电子和光子相互作用。通过分析探测器信号的时间演化特性，该方法有效抑制了多重散射光子引起的本底事件，在GERDA相关实验设置下展现出强大的分辨能力，且采用的是市售探测器。

ABSTRACT

To reduce background in experiments looking for rare events, such as the GERDA double beta decay experiment, it is necessary to employ active background-suppression techniques. One of such techniques is the pulse shape analysis of signals induced by the interaction of radiation with the detector. Analysis of the time-development of the impulses can distinguish between an interaction of an electron and an interaction of a multiple-scattered photon inside the detector. This information can be used to eliminate background events from the recorded data. Results of pulse-shape analysis of signals from a commercially available broad-energy germanium detector are presented and the pulse-shape discrimination capability of such detector configuration for use in low-background experiments is discussed.

研究动机与目标

• 通过主动本底抑制技术减少如无中微子双贝塔衰变等稀有事例搜索中的本底。
• 评估市售宽能量区间的高纯锗探测器的脉冲波形分辨能力。
• 评估在低本底实验（如GERDA）中使用脉冲波形分析进行本底排斥的可行性。
• 表征电子与光子相互作用引起的探测器信号随时间的响应特性。
• 在GERDA相关配置下，对标准高纯锗探测器实现脉冲波形分析的实用演示。

提出的方法

• 将脉冲波形分析应用于暴露于伽马射线源的宽能量区间的高纯锗探测器所获取的信号。
• 通过分析电脉冲的时间演化特性，以区分单次作用的电子事件与多重散射的光子事件。
• 该方法依赖于电子与光子引起的脉冲上升时间与衰减时间的差异。
• 通过比较电子与光子相互作用的脉冲波形，定义了分辨判据。
• 数据采集于海德堡的马克斯-普朗克核物理研究所，探测器已校准至高能量分辨率。
• 采用适用于宽能量探测器的标准脉冲波形分析技术对结果进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宽能量区间的高纯锗探测器中，脉冲波形分析能否有效区分电子相互作用与多重散射光子事件？
• RQ2 在GERDA相关实验设置下，脉冲波形分析的本底抑制能力如何？
• RQ3 市售宽能量区间的高纯锗探测器在脉冲波形分辨方面与专用探测器相比表现如何？
• RQ4 哪些关键的脉冲波形特征使得电子与光子相互作用得以区分？
• RQ5 在低本底实验中，能否在标准高纯锗探测器上实际实现脉冲波形分析？

主要发现

• 脉冲波形分析成功区分了宽能量区间的高纯锗探测器中电子相互作用与多重散射光子事件。
• 该方法通过识别具有多重散射特征的延长脉冲波形，有效实现了本底抑制。
• 通过伽马射线源和脉冲波形比较，证实了该方法的分辨能力。
• 结果表明，市售宽能量区间的高纯锗探测器适用于低本底实验中的脉冲波形分析。
• 本研究证实了在GERDA类实验中，使用标准高纯锗探测器结合脉冲波形分析实现本底抑制的可行性。
• 该技术基于脉冲上升时间与衰减时间，实现了电子与光子相互作用特征信号的可测量分离。