[论文解读] Background modeling for dark matter search with 1.7 years of COSINE-100 data

Prabal Adhikari|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用 33

一句话总结

本文基于106 kg NaI(Tl)晶体1.7年的数据，为COSINE-100暗物质实验提出了一个全面的本底模型。该模型结合了内部和外部本底源，包括表面和体相的²¹⁰Pb污染及宇宙射线生成的核素，采用Geant4模拟，并对²¹⁰Pb的非线性能量响应和深度分布进行经验拟合。关键结果是在1–6 keV能区测得的平均本底水平为2.85±0.15 根据/天/keV/kg，主要由²¹⁰Pb和³H贡献。

ABSTRACT

We present a background model for dark matter searches using an array of NaI(Tl) crystals in the COSINE-100 experiment that is located in the Yangyang underground laboratory. The model includes background contributions from both internal and external sources, including cosmogenic radionuclides and surface $^{210}$Pb contamination. To build the model in the low energy region, with a threshold of 1 keV, we used a depth profile of $^{210}$Pb contamination in the surface of the NaI(Tl) crystals determined in a comparison between measured and simulated spectra. We also considered the effect of the energy scale errors propagated from the statistical uncertainties and the nonlinear detector response at low energies. The 1.7 years COSINE-100 data taken between October 21, 2016 and July 18, 2018 were used for this analysis. Our Monte Carlo simulation provides a non-Gaussian peak around 50 keV originating from beta decays of bulk $^{210}$Pb in a good agreement with the measured background. This model estimates that the activities of bulk $^{210}$Pb and $^{3}$H are dominating the background rate that amounts to an average level of 2.85$\pm$0.15 counts/day/keV/kg in the energy region of (1-6) keV, using COSINE-100 data with a total exposure of 97.7 kg$\cdot$years.

研究动机与目标

• 使用COSINE-100实验1.7年的数据，为低能区（1–6 keV）的暗物质搜寻开发精确的本底模型。
• 准确估算内部和外部本底贡献，特别是表面和体相²¹⁰Pb污染及宇宙射线生成的核素。
• 对NaI(Tl)晶体在低能区的非线性能量响应进行建模，以提高能谱模拟的准确性。
• 通过将模拟谱与五个低噪声NaI(Tl)晶体的实测数据对比，验证本底模型。
• 为未来的直接探测分析估算暗物质WIMP搜寻能区（1–6 keV）的总本底水平。

提出的方法

• 本底模型基于Geant4的蒙特卡罗模拟，使用G4版本10.4.2，结合详细的探测器几何结构和屏蔽层。
• 通过将经验拟合的非线性能量响应函数 f(E) = p₀·ln[(E−p₁)/p₂] / [(E−p₁)/p₂]³ + p₃ 拟合至低能标定数据，以模拟NaI(Tl)晶体的非线性响应。
• 基于专门的Y2L测试测量结果，推导出表面²¹⁰Pb污染的深度分布，并用于模拟表面衰变贡献。
• 模拟了内部核素（⁴⁰K、²¹⁰Pb、³H、¹¹³Sn、¹⁰⁹Cd、²²Na）和外部源的本底贡献，并与实测谱进行对比。
• 模型对事例选择效率进行了修正，并考虑了由统计误差传播的能量标度不确定性。
• 对单次和多次触发事例的谱进行拟合，1–6 keV能区的谱通过建模的低能行为外推得到。

实验结果

研究问题

• RQ1 COSINE-100实验在1–6 keV能区的主要本底贡献来源是什么？
• RQ2 在低能区（1–60 keV）使用经验拟合方法，能否准确建模NaI(Tl)晶体的非线性能量响应？
• RQ3 表面²¹⁰Pb污染对总本底的贡献如何？其深度分布如何影响模拟谱？
• RQ4 基于Geant4的模拟在单次和多次触发事例中，对实测本底谱的重现程度如何？
• RQ5 在全面建模内部和外部源后，暗物质WIMP搜寻能区（1–6 keV）的总本底水平是多少？

主要发现

• 本底模型在单次和多次触发事例中均与实测谱具有良好一致性，尤其在1–6 keV能区。
• 模拟谱在约50 keV处呈现非高斯峰，源于体相²¹⁰Pb的β衰变，与实测本底分布一致。
• 1–6 keV能区的主要本底贡献来自体相²¹⁰Pb和³H，总平均水平为2.85±0.15 根据/天/keV/kg。
• 对于分析的五个晶体，模型对⁴⁰K、²¹⁰Pb、³H、²²Na、¹⁰⁹Cd和¹¹³Sn的实测活度的重现精度在约20%以内。
• 表面²¹⁰Pb的贡献在不同晶体间差异显著，浅层和深层分布模型的拟合效果优于单一均匀分布。
• 模型对1–6 keV能区具有信心的外推能力，模拟谱与效率修正后的实测谱之间具有良好一致性。