[論文レビュー] Quenching factor measurement for NaI(Tl) scintillation crystal

H. W. Joo, H. S. Park+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、KRISSのDD109中性子発生装置を用いて生成された2.43-MeV単エネルギー中性子を用い、NaI(Tl)シンチレーション結晶のクエンチング係数(QF)を測定した。核反発エネルギーが9–152 keV（Na）および19–75 keV（I）の範囲で、ナトリウムのQFは10–23%、ヨウ素のQFは4–6%であり、従来の測定値に比べて精度が向上した。この結果は、NaI(Tl)検出器を用いた直接的ダークマター探索における重要なキャリブレーションデータを提供する。

ABSTRACT

Scintillation crystals are commonly used for direct detection of weakly interacting massive particles (WIMPs), which are suitable candidates for a particle dark matter. It is well known that the scintillation light yields are different for electron recoil and nuclear recoil. To calibrate the energies of WIMP-induced nuclear recoil signals, the quenching factor (QF) needs to be measured, which is the light yield ratio of the nuclear recoil to electron recoil. Measurements of the QFs for Na and I recoils in a small (2 cm x 2 cm x 1.5 cm) NaI(Tl) crystal are performed with 2.43-MeV mono-energetic neutrons generated by deuteron-deuteron fusion. Depending on the scattering angle of the neutrons, the energies of the recoiled ions vary in the range of 9 - 152 keV for Na and 19 - 75 keV for I. The QFs of Na are measured at 9 points with values in the range of 10 - 23 % while those of I are measured at 4 points with values in the range of 4 - 6 %.

研究の動機と目的

• 直接ダークマター検出に用いるために、NaI(Tl)シンチレーション結晶におけるナトリウムおよびヨウ素反発のクエンチング係数(QF)を高精度で測定すること。
• 特にトリガーやノイズカットのしきい値を含む、検出器効率補正を体系的に取り入れることで、QF値の不確実性を低減すること。
• DAMA/LIBRA実験と同一の標的材料を用いるCOSINE-100実験に、キャリブレート済みのQFデータを提供すること。
• 単エネルギー中性子と改善されたエネルギースペクトル解析を用いることで、過去のQF測定値における不一致を解消すること。

提案手法

• 2.43-MeV単エネルギー中性子は、KRISSのDD109中性子発生装置を用いた重陽子-重陽子融合反応により生成された。
• 2 cm × 2 cm × 1.5 cmのNaI(Tl)結晶を、中性子源から150 cmの距離に配置し、中性子散乱角度を変化させることで、さまざまな反発エネルギーを実現した。
• シンチレーション光パルスはフォトマルチプライヤー管で検出され、59.54 keVの241Amガンマ線を用いて電子同等エネルギー(Eee)のキャリブレーションが行われた。
• 核反発エネルギー(Enr)は、GEANT4ツールキットを用いたモンテカルロシミュレーションにより、中性子散乱力学を考慮して決定された。
• トリガー効率およびノイズカットしきい値の効率補正には、ガウスフィッティングパラメータ(qc, qt)が用いられ、不確実性は二乗和を用いて伝搬された。
• クエンチング係数はQF = Eee / Enrとして計算され、統計的および系統的不確実性は誤差伝搬を用いて合成された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナトリウム反発のクエンチング係数は、反発エネルギーが9–152 keVの範囲でどのようになるか？
• RQ2 ヨウ素反発のクエンチング係数は、反発エネルギーが19–75 keVの範囲でどのようになるか？
• RQ3 トリガーおよびノイズカットの効率補正は、NaI(Tl)検出器におけるQF測定の精度にどのように影響するか？
• RQ4 測定されたQF値は、ラジオアイソトープおよび中性子発生装置からの過去の結果とどのように比較できるか？

主な発見

• ナトリウム反発のクエンチング係数は、反発エネルギー9–152 keVの範囲で10%～23%の間で変動し、9 keVで最小値（10%）、152 keVで最大値（23%）を示した。
• ヨウ素反発のクエンチング係数は、反発エネルギー19–75 keVの範囲で4%～6%の間で変動し、エネルギーが高くなるにつれてわずかに増加した。
• 本研究で得られたNaおよびIのQF値は、Collar, XuらおよびStieglerらによる最近の高精度測定結果と整合しており、不確実性がより小さい。
• 本研究では、約1 keVの電子同等エネルギー（対応するナトリウム反発エネルギー9 keV）のしきい値を報告した。これはCOSINE実験の検出しきい値に関連する。
• トリガー効率およびノイズカット効率補正をガウスフィッティングパラメータを用いて体系的に取り入れることで、QF測定の不確実性が低減された。
• 結果は、NaI(Tl)結晶が直接的ダークマター探索における標的材料として使用可能であることを支持しており、キャリブレート済みのQFを用いることで、核反発エネルギーの再構築が正確に行える。