[论文解读] Measurement of scintillation response of CsI[Na] to low-energy nuclear recoils by COHERENT

D. Akimov, Peng An+75 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 31被引用 4

一句话总结

本文利用标记中子散射和终点法，重新评估了CsI[Na]在低能核 recoil 下的闪烁响应，确认了H11934-200 PMT的线性响应，并表明在单光电子（SPE）拟合模型中，特别是高斯分布与指数-高斯分布模型之间的选择，可能在绝对光产额估计中引入高达约10%的系统性偏差；尽管如此，由于SPE均值不确定度的相互抵消，淬灭因子（QF）值仍保持不变。

ABSTRACT

We present results of several measurements of CsI[Na] scintillation response to 3-60 keV energy nuclear recoils performed by the COHERENT collaboration using tagged neutron elastic scattering experiments and an endpoint technique. Earlier results, used to estimate the coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) event rate for the first observation of this process achieved by COHERENT at the Spallation Neutron Source (SNS), have been reassessed. We discuss corrections for the identified systematic effects and update the respective uncertainty values. The impact of updated results on future precision tests of CEvNS is estimated. We scrutinize potential systematic effects that could affect each measurement. In particular we confirm the response of the H11934-200 Hamamatsu photomultiplier tube (PMT) used for the measurements presented in this study to be linear in the relevant signal scale region.

研究动机与目标

• 利用更优的系统控制手段，重新测量CsI[Na]在低能核 recoil（3–60 keV）下的闪烁响应。
• 解决先前COHERENT实验中QF测量结果的不一致问题，该问题曾导致首次CEvNS观测的不确定性。
• 评估光电倍增管（PMT）非线性响应及SPE拟合模型选择对绝对光产额估计的影响。
• 验证H11934-200 PMT在相关信号范围内的线性响应，并校正信号标定中的系统性偏差。
• 为未来相干弹性中微子-核子散射（CEvNS）的精密测量更新不确定性估计。

提出的方法

• 利用标记中子弹性散射，通过入射中子能量和散射角确定核 recoil 能量，使用公式1.1和1.2计算ΔE。
• 应用终点法测量最大核 recoil 能量（θ = 180°），实现对连续NR能量谱的标定。
• 利用伽马射线标定线（59.5 keV、356.0 keV、662 keV）建立电子 recoil（ER）信号标度，用于QF确定。
• 采用多种模型拟合单光电子（SPE）电荷分布：高斯分布、指数-高斯分布（公式B.4）及其他文献中的模型，以评估模型依赖性。
• 在-880 V至-1050 V的偏置电压范围内评估PMT响应，比较不同SPE拟合模型下信号的光电子数（PE）大小。
• 量化SPE模型选择对绝对光产额估计的影响，特别指出高斯模型在高PMT增益下会低估SPE均值。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPE电荷分布模型的选择如何影响CsI[Na]闪烁测量中绝对光产额的估计？
• RQ2 PMT响应和SPE拟合中的系统性效应对绝对信号标度造成多大程度的偏差？这些偏差如何影响QF值？
• RQ3 H11934-200 PMT在低能核 recoil 相关信号范围内是否表现出线性响应？
• RQ4 为弥合先前COHERENT实验中CsI[Na] QF测量结果的差异，需要进行哪些校正？
• RQ5 光产额和QF的更新不确定性如何影响未来CEvNS实验的测量精度？

主要发现

• H11934-200 PMT在相关信号范围内被证实为线性响应，在-880 V至-1050 V的偏置电压范围内均未发现非线性行为的证据。
• 在高PMT增益下使用高斯SPE模型时，由于谷底区域拟合不佳及基底污染，导致绝对光产额估计产生约10%的偏差。
• 其他SPE模型（如指数-高斯模型，公式B.4）的拟合趋势与高斯模型相反，表明SPE拟合模型的选择会显著影响以光电子数（PE）表示的信号大小。
• 在-1050 V下，SPE均值电荷估计的不确定度被限制在±4%以内，依据7 pVs至187 pVs的电荷分布。
• 尽管绝对光产额估计对SPE模型选择敏感，但淬灭因子（QF）值不受影响，因为SPE均值在QF定义中被相互抵消。
• 由于校正了系统性效应，COH-CsI实验中CEvNS事例率的不确定性估计已更新，提升了未来CEvNS测试的精度。