[论文解读] Optimization of the Cherenkov signal from TeO$_{2}$ bolometers

N. Casali|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 27被引用 3

一句话总结

本文通过优化TeO2量热计中切伦科夫光的探测，提升了无中微子双贝塔衰变搜索中α背景的抑制能力。通过模拟光子传播并改进晶体表面粗糙度与光探测器设计，研究显示可使可探测的切伦科夫光子数增加58%，但由于光子产额波动，β/γ区分仍不可行。

ABSTRACT

The most sensitive process able to probe the Majorana nature of neutrinos and discover Lepton Number Violation is the neutrino-less double beta decay (0$ u$DBD). A novel approach able to improve the sensitivity of the current bolometric experiments searching for this rare nuclear decay is the $\alpha$ background rejection. In TeO$_2$ bolometers the $\alpha$ particles rejection can be performed tagging the Cherenkov light emitted only by electrons. This approach was tested in several works which demonstrated the feasibility of this technique but, on the other hand, the amount of Cherenkov light detected was lower with respect to the expected one, undermining the complete rejection of $\alpha$ background. In this paper we compare the results obtained in these works with a detailed Monte Carlo simulation able to reproduce the number of Cherenkov photons produced in $\beta/\gamma$ interactions within the TeO$_2$ bolometer and their propagation in the experimental set-up. We demonstrate that the light yield detectable from a $5 imes5 imes5$ cm$^{3}$ TeO$_2$ bolometer can be increased up to 58% with respect to the one measured by the current R&D detectors increasing the surface roughness of the crystal and improving the light detector design. Moreover taking into account the intrinsic fluctuations of the number of Cherenkov photons we study the possibility to disentangle $\beta$ from $\gamma$ interactions that represent the ultimate background source. Unfortunately this discrimination is not feasible.

研究动机与目标

• 通过提升α背景抑制能力，增强量热计实验探测无中微子双贝塔衰变（0νDBD）的灵敏度。
• 解决先前研发实验中可探测切伦科夫光子数不足的问题，该问题削弱了有效的α背景抑制能力。
• 研究切伦科夫光子产额的固有波动是否可实现对β与γ相互作用的区分。
• 通过模拟驱动的设计改进，优化晶体表面粗糙度与光电探测器配置，以提升光收集效率。

提出的方法

• 进行详细的蒙特卡罗模拟，以建模5×5×5 cm³ TeO2晶体中切伦科夫光子的产生与传播。
• 模拟β与γ射线在晶体内的相互作用，追踪切伦科夫光子的发射及其在探测器结构中的传播路径。
• 在模拟中改变晶体表面粗糙度，评估其对光子散射与探测效率的影响。
• 优化光电探测器的布置与设计，以最大化光子收集效率，并与现有研发探测器性能进行比较。
• 分析光子产额波动，评估基于切伦科夫光信号区分β与γ事件的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过改进表面粗糙度与探测器设计，TeO2量热计中切伦科夫光子产额可提升至何种程度？
• RQ2 切伦科夫光子发射的固有波动是否可实现对β与γ相互作用的可靠区分？
• RQ3 模拟的光子产额与当前研发探测器中的实测值相比如何？
• RQ4 在优化条件下，5×5×5 cm³ TeO2晶体中可探测的切伦科夫光子产额最大可达多少？
• RQ5 在量热计0νDBD实验中，使用切伦科夫光进行背景抑制存在哪些局限性？

主要发现

• 通过优化表面粗糙度与改进光电探测器设计，5×5×5 cm³ TeO2量热计中可探测的切伦科夫光子产额可提升高达58%。
• 在优化条件下，模拟光子产额超过当前研发探测器中的实测值，表明存在显著的改进空间。
• 尽管产额提升，但切伦科夫光子数量的波动使得可靠区分β与γ相互作用成为不可能。
• 背景抑制的主要挑战在于，即使探测效率提升，β与γ事件的光子信号仍难以区分。
• 表面粗糙度在将光子散射至探测器方面起着关键作用，其优化对于最大化光收集至关重要。
• 本研究证实，尽管切伦科夫标记是α背景抑制的可行策略，但其有效性受限于光子产额的固有波动性。