[论文解读] Measurement of the cosmogenic activation of germanium detectors in EDELWEISS-III

the EDELWEISS Collaboration, E. Armengaud+47 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文首次直接测量了用于暗物质搜索的锗探测器中宇宙射线活化效应，具体量化了³H、⁴⁹V、⁵⁵Fe、⁶⁵Zn和⁶⁸Ge的生成速率。测得的速率——³H为82 ± 21个核素/千克/天，⁴⁹V为2.8 ± 0.6，⁵⁵Fe为4.6 ± 0.7，⁶⁵Zn为106 ± 13，⁶⁸Ge的下限为74个核素/千克/天——是迄今最精确的测量结果，揭示了与现有模型之间显著的差异，凸显了改进核反应截面预测的迫切需求。

ABSTRACT

We present a measurement of the cosmogenic activation in the germanium cryogenic detectors of the EDELWEISS III direct dark matter search experiment. The decay rates measured in detectors with different exposures to cosmic rays above ground are converted into production rates of different isotopes. The measured production rates in units of nuclei/kg/day are 82 $\pm$ 21 for $^3$H, 2.8 $\pm$ 0.6 for $^{49}$V, 4.6 $\pm$ 0.7 for $^{55}$Fe, and 106 $\pm$ 13 for $^{65}$Zn. These results are the most accurate for these isotopes. A lower limit on the production rate of $^{68}$Ge of 74 nuclei/kg/day is also presented. They are compared to model predictions present in literature and to estimates calculated with the ACTIVIA code.

研究动机与目标

• 测量EDELWEISS-III暗物质实验中使用的锗探测器内特定核素的宇宙射线活化速率。
• 通过量化在20 keV以下产生X射线或β衰变的核素，减少低能WIMP搜索中的本底。
• 提供精确数据以约束并改进锗中宇宙射线核素生成的理论模型。
• 评估氚（³H）及其他电子捕获衰变核素对探测器灵敏度的影响。
• 将实测生成速率与ACTIVIA代码及其他模型的预测结果进行比较，识别系统性偏差。

提出的方法

• 在EDELWEISS-III实验的13个锗探测器上进行测量，这些探测器在地下部署前于地表暴露于宇宙射线的时间各不相同。
• 从低温探测器记录的γ射线和X射线谱中提取³H、⁴⁹V、⁵⁵Fe、⁶⁵Zn和⁶⁸Ge等核素的衰变速率。
• 通过考虑探测器质量、暴露时间及衰变常数，将测得的衰变速率转换为核素/千克/天的生成速率。
• 传播统计与系统误差，以确定具有置信区间的最终生成速率值。
• 将数据与ACTIVIA代码及文献模型（包括MENDL-2P和半经验截面）的预测结果进行比较。
• 在对结晶前暴露历史的不同假设下，通过数据拟合在90%置信水平下推导出⁶⁸Ge生成的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地表暴露于宇宙射线的锗探测器中，氚（³H）的实际生成速率是多少？
• RQ2 实测的⁴⁹V、⁵⁵Fe、⁶⁵Zn和⁶⁸Ge的宇宙射线活化速率与ACTIVIA代码及其他模型的预测结果相比如何？
• RQ3 锗在结晶前的暴露历史在多大程度上影响了⁶⁸Ge等宇宙射线核素的饱和水平？
• RQ4 为何现有模型系统性地低估了³H、⁶⁵Zn和⁶⁸Ge的实测生成速率，低估幅度达2至3倍？
• RQ5 测量与模型之间的差异是否可归因于特定核素中子诱发激发函数的不确定性？

主要发现

• 首次直接测量到锗探测器中³H的生成速率，结果为82 ± 21个核素/千克/天，对低质量WIMP搜索具有重大影响。
• 实测的⁶⁵Zn生成速率为106 ± 13个核素/千克/天，为所研究核素中最高，比文献[4]中的先前测量结果高出2.8倍。
• 在90%置信水平下，⁶⁸Ge生成速率的下限为74个核素/千克/天，比文献[4]中报告的数值高出2.5倍。
• 实测的⁴⁹V和⁵⁵Fe生成速率分别为2.8 ± 0.6和4.6 ± 0.7个核素/千克/天，为迄今最精确的测量值，且与ACTIVIA预测结果最为一致。
• ³H、⁶⁵Zn和⁶⁸Ge的实测与预测速率之间的差异在1.7σ至6σ之间，表明当前模型假设存在显著缺陷。
• 本研究揭示，不同核素的模型预测值之间差异最大可达两倍，凸显了改进核反应截面数据的迫切需求。