[论文解读] Optimization and performance of the CryoCube detector for the future RICOCHET low-energy neutrino experiment

T. Salagnac, J. Billard+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2021

Superconducting and THz Device Technology被引用 7

一句话总结

本文针对Ricochet低能中微子实验，介绍了CryoCube探测器阵列的优化与性能评估，该探测器采用高纯度锗晶体与NTD-Ge热传感器，结合双通道热电荷/电离读出技术，实现了50 eV的能量阈值和高粒子识别效率。研究表明，在1%的电荷收集不完整率和有效背景抑制条件下，CryoCube仅用50天即可实现17.3σ的CENNS探测显著性，从而在标准模型之外的新物理搜索中实现前所未有的精度。

ABSTRACT

The RICOCHET reactor neutrino observatory is planned to be installed at Institut Laue-Langevin starting in mid-2022. The scientific goal of the RICOCHET collaboration is to perform a low-energy and percentage-precision CENNS measurement in order to explore exotic physics scenarios beyond the standard model. To that end, RICOCHET will host two cryogenic detector arrays : the CryoCube (Ge target) and the Q-ARRAY (Zn target), both with unprecedented sensitivity to O(10)eV nuclear recoils. The CryoCube will be composed of 27 Ge crystals of 38g instrumented with NTD-Ge thermal sensor as well as aluminum electrodes operated at 10mK in order to measure both the ionization and the heat energies arising from a particle interaction. To be a competitive CENNS detector, the CryoCube array is designed with the following specifications : a low energy threshold ($\sim 50$eV), the ability to identify and reject with a high efficiency the overwhelming electromagnetic backgrounds (gamma, betas, X-rays) and a sufficient payload ($\sim 1$kg). After a brief introduction of the future RICOCHET experiment and its CryoCube, the current works and first performance results on the optimization of the heat channel and the electrode designs will be presented. We conclude with a preliminary estimation of the CryoCube sensitivity to the CENNS signal within RICOCHET.

研究动机与目标

• 开发一种具有亚100 eV能量阈值的低温锗探测器阵列，用于相干弹性中微子-核子散射（CENNS）探测。
• 优化热信号与电离信号通道性能，实现高达~100 eV的高能量分辨率和粒子识别能力。
• 通过先进的电极设计与信号甄别技术，最大限度减少电磁和仅热事件的本底。
• 在数天内实现5σ CENNS探测显著性，并在两年数据采集后实现2%-8%的测量精度。
• 通过高精度CENNS测量，实现对新物理场景（包括惰性中微子和非标准相互作用）的灵敏探索。

提出的方法

• 设计并制造27个高纯度锗晶体（每个38 g），配备NTD-Ge热传感器和铝电极，实现双通道热信号与电离信号读出。
• 搭建15 mK低温系统，配备1 K电子设备级，采用铜制红外屏蔽外壳。
• 开发电热模型，以优化热信号能量分辨率，并基于探测器质量与传感器特性预测性能。
• 采用AC JFET电子学系统，以400 Hz调制实现22 eV（RMS）基线热信号分辨率，表面测试最佳结果达17 eV（RMS）。
• 应用μ子拒收系统，采用350 µs符合窗口，有效降低有效数据时间损失，抑制宇宙射线本底。
• 基于GEANT4的ILL本底模型进行蒙特卡洛模拟，预测在基线与最坏情况下的CENNS灵敏度，包括仅热事件本底过量的情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计探测器以在低温锗阵列中实现50 eV的热信号能量阈值，用于CENNS探测？
• RQ2 如何优化电离与热信号读出，以在~100 eV能量下实现高粒子识别效率？
• RQ3 电荷收集不完整对CENNS信号提取有何影响？如何将其最小化？
• RQ4 低能本底过量（如仅热事件）如何影响CENNS灵敏度？哪些缓解策略有效？
• RQ5 CryoCube阵列在50天和两年数据采集后的CENNS探测显著性与测量精度预期如何？

主要发现

• CryoCube探测器在33.4 g锗原型上实现了22 eV（RMS）的基线热信号能量分辨率，使用AC JFET电子学系统，最佳性能达17 eV（RMS）的表面测试结果。
• FID设计中电荷收集不完整事件比例被限制在1%，PL设计中为10%，且进入核反冲带的泄漏率低于0.3%。
• 采用350 µs符合窗口的μ子拒收系统有效抑制了有效数据时间损失，维持了高数据采集效率。
• 在最坏情况（低能仅热本底过量）下，有效CENNS阈值因电离阈值抑制而提升至250 eV。
• 仅用一个反应堆周期（50天）即可实现17.3σ的CENNS探测显著性，两年数据采集后可实现2%-8%的测量精度。
• 若缺乏粒子识别能力，由于电磁与仅热事件本底过强，显著的CENNS探测将不可行。