[论文解读] Quenching factor measurement for NaI(Tl) scintillation crystal

H. W. Joo, H. S. Park+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究利用氘-氘聚变反应产生的2.43-MeV单能中子，测量了NaI(Tl)闪烁晶体的淬灭因子（QF）。在核 recoil 能量为9–152 keV（Na）和19–75 keV（I）的范围内，报告了钠的QF值为10–23%，碘的QF值为4–6%，相比以往测量具有更高的精度，为使用NaI(Tl)探测器进行直接暗物质搜寻提供了关键校准数据。

ABSTRACT

Scintillation crystals are commonly used for direct detection of weakly interacting massive particles (WIMPs), which are suitable candidates for a particle dark matter. It is well known that the scintillation light yields are different for electron recoil and nuclear recoil. To calibrate the energies of WIMP-induced nuclear recoil signals, the quenching factor (QF) needs to be measured, which is the light yield ratio of the nuclear recoil to electron recoil. Measurements of the QFs for Na and I recoils in a small (2 cm x 2 cm x 1.5 cm) NaI(Tl) crystal are performed with 2.43-MeV mono-energetic neutrons generated by deuteron-deuteron fusion. Depending on the scattering angle of the neutrons, the energies of the recoiled ions vary in the range of 9 - 152 keV for Na and 19 - 75 keV for I. The QFs of Na are measured at 9 points with values in the range of 10 - 23 % while those of I are measured at 4 points with values in the range of 4 - 6 %.

研究动机与目标

• 为直接暗物质探测应用，以高精度测量NaI(Tl)闪烁晶体中钠和碘recoil的淬灭因子（QF）。
• 通过系统性地考虑探测器效率修正，特别是触发和噪声剔除阈值，降低QF值的不确定性。
• 为使用相同靶材料的COSINE-100实验提供校准后的QF数据，该实验与DAMA/LIBRA实验使用相同的材料。
• 通过采用单能中子和改进的能量谱分析方法，解决以往QF测量中的不一致问题。

提出的方法

• 在KRISS的DD109中子源中，通过氘-氘聚变反应产生2.43-MeV的单能中子。
• 将一块2 cm × 2 cm × 1.5 cm的NaI(Tl)晶体置于距离源150 cm处，通过改变中子散射角度，获得一系列核 recoil 能量。
• 使用光电倍增管探测闪烁光脉冲，并利用59.54 keV的241Am γ射线源对电子等效能量（Eee）进行标定。
• 利用GEANT4工具包进行蒙特卡洛模拟，结合中子散射运动学，确定核 recoil 能量（Enr）。
• 通过高斯拟合参数（qc, qt）对触发和噪声剔除阈值的效率修正进行处理，不确定度通过平方和法传播。
• 淬灭因子计算为QF = Eee / Enr，统计不确定度与系统不确定度通过误差传播方法合并。

实验结果

研究问题

• RQ1 在核 recoil 能量为9至152 keV的范围内，NaI(Tl)中钠recoil的淬灭因子是多少？
• RQ2 在核 recoil 能量为19至75 keV的范围内，NaI(Tl)中碘recoil的淬灭因子是多少？
• RQ3 触发和噪声剔除的效率修正如何影响NaI(Tl)探测器中QF测量的精度？
• RQ4 所测得的QF值与以往基于放射性核素和中子源的测量结果相比如何？

主要发现

• 钠recoil的淬灭因子在9–152 keV的recoil能量范围内为10%至23%，其中9 keV时最低（10%），152 keV时最高（23%）。
• 碘recoil的淬灭因子在19–75 keV的recoil能量范围内为4%至6%，且随能量略有增加。
• 本研究测得的Na和I的QF值与Collar、Xu等人以及Stiegler等人近期的高精度测量结果一致，但不确定度更小。
• 研究报告了约1 keV的电子等效能量阈值（对应9 keV的Na recoil），该值对COSINE实验的探测阈值具有重要意义。
• 通过使用高斯拟合参数系统性地考虑触发效率和噪声剔除效率修正，显著降低了QF测量的不确定度。
• 结果支持在直接暗物质搜寻中使用NaI(Tl)晶体作为靶材料，校准后的QF值可实现准确的核 recoil 能量重建。