[論文レビュー] Track length measurement of $^{19}$F$^+$ ions with the MIMAC Dark Matter directional detector prototype

Y. Tao, Beaufort, C.+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、MIMAC方向性ダークマター検出器の5 cmドリフトプロトタイプを用いて、低運動エネルギー（6–26 keV）の19F+イオンに対する3次元軌跡長の最初の実験的測定を報告する。著者らは、測定値とシミュレーション値の顕著な不一致を、高利得のマイクロメガス増幅ギャップ内でのイオンバックフローに起因する空間電荷効果に起因すると特定し、真の物理的軌跡長を回復するためのフラッシュ-ADCに基づく非対称要因補正を導入した。これにより、シミュレーションとの整合性が向上した。

ABSTRACT

Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are one of the most preferred candidate for Dark Matter. WIMPs should interact with the nuclei of detectors. If a robust signal is eventually observed in direct detection experiments, the best signature to confirm its Galactic origin would be the nuclear recoil track direction. The MIMAC collaboration has developed a low pressure gas detector providing both the kinetic energy and three-dimensional track reconstruction of nuclear recoils. In this paper we report the first ever observations of $^{19}$F nuclei tracks in a $5$ cm drift prototype MIMAC detector, in the low kinetic energy range ($6$-$26$ keV), using specially developed ion beam facilities. We have measured the recoil track lengths and found significant differences between our measurements and standard simulations. In order to understand these differences, we have performed a series of complementary experiments and simulations to study the impact of the diffusion and eventual systematics. We show an unexpected dependence of the number of read-out corresponding to the track on the electric field applied to the $512\ \mathrm{\mu m}$ gap of the Micromegas detector. We have introduced, based on the flash-ADC observable, corrections in order to reconstruct the physical 3D track length of the primary electron clouds proposing the physics behind these corrections. We show that diffusion and space charge effects need to be taken into account to explain the differences between measurements and standard simulations. These measurements and simulations may shed a new light on the high-gain TPC ionization signals in general and particularly at low energy.

研究の動機と目的

• 低エネルギー19F+イオン（6–26 keV）の3次元軌跡長を、方向性ダークマター検出器プロトタイプで測定すること。
• 低エネルギー核反発事象における測定軌跡長と標準モンテカルロシミュレーションとの不一致を調査すること。
• 特に空間電荷およびイオンバックフローを含む系統的誤差が、高利得マイクロメガス検出器における軌跡長測定をどのように歪めているかを特定・定量化すること。
• フラッシュ-ADC信号の非対称性を用いた補正法を開発・検証し、真の物理的軌跡長を回復すること。

提案手法

• 512 µmのマイクロメガス増幅ギャップを有する10.8×10.8×5 cm³のMIMACプロトタイプを用い、50 mbarでCF4/CHF3/i-C4H10ガス混合ガスを用いて運用した。
• LHIおよびCOMIMAC施設を用いて、明確に定義された反発エネルギーを持つ低エネルギー19F+イオンビームを生成した。
• 2次元アノード読み出し（XおよびYストリップ）とグリッドからの時間サンプリングフラッシュ-ADC信号を用いて、電子雲のドリフトを3次元的に再構成した。
• フラッシュ-ADC信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間を分析し、空間電荷に起因する有効ドリフト速度の低下を補正するための「非対称性要因」を定義した。
• Garfield++を用いたシミュレーションにより、電子ドリフトおよびアバランチ発展をモデル化した。イオンバックフローおよび電場歪みを考慮して調整を行った。
• 非対称性要因に基づく系統的補正を、増幅ギャップ内の利得およびイオン密度の増加と相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ6–26 keVの19F+イオンの測定3次元軌跡長が、MIMACプロトタイプにおける標準シミュレーションの予測値を大きく上回るのか？
• RQ2 マイクロメガス増幅ギャップ内の電場が、低エネルギーイオンのアノード読み出し数および見かけの軌跡長にどのように影響を与えるのか？
• RQ3 イオンバックフローに起因する空間電荷効果が、電場を歪め、二次電子の有効ドリフト速度をどの程度低下させるのか？
• RQ4 フラッシュ-ADC信号の非対称性を、軌跡長測定における系統的歪みを補正するための信頼できる観測量として用いることができるか？
• RQ5 拡散と空間電荷効果が、高利得ガスTPCにおける低エネルギー核反発軌跡の再構成にどのように共同で影響を与えるのか？

主な発見

• 6–26 keVの19F+イオンの測定軌跡深さは、標準シミュレーションの予測値を著しく上回っており、未考慮の系統的誤差が存在することを示している。
• アバランチ電場を大きくするにつれてアノード読み出し数が増加し、空間電荷効果に起因する非線形依存性が明らかになった。
• フラッシュ-ADC信号の非対称性（立ち下がり時間の長さが立ち上がり時間に対して増加）が、利得が高くなるにつれて顕著になり、イオンバックフローに起因する有効ドリフト速度の低下を示している。
• 測定軌跡深さに非対称性要因補正を適用したところ、シミュレーションと整合性のある値が得られ、この補正が空間電荷歪みを効果的に低減することを確認した。
• 本研究では、標準シミュレーションで無視されてきた空間電荷効果が、低エネルギーでの高利得マイクロメガス検出器における軌跡長再構成に顕著に影響を与えることが示された。
• 拡散は軌跡長にわずかな影響しか及たない一方で、イオンバックフローに起因する空間電荷効果が、軌跡長測定における主要因となる系統的誤差であると特定された。