[论文解读] The Skipper CCD for low-energy threshold particle experiments above ground

Guillermo Fernández Moroni, Fernando Chierchie+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 30被引用 4

一句话总结

该论文展示了Skipper-CCD技术在地表环境下实现了低能粒子探测中的单电子分辨率，且在亚keV能量下背景率不会呈指数增长。通过应用空间和电荷基事件选择标准，作者有效抑制了主要背景源——尤其是串行寄存器和暗电流——实现了稳定、低背景的探测性能，最低可达5对电子-空穴（相当于约7.5 eV），在地表实验中优于其他低阈值技术。

ABSTRACT

We present experimental results using a single-electron resolution Skipper-CCD running above ground level to demonstrate the potential of this technology for its use in reactor neutrino observations and other low-energy particle interaction experiments. Operating conditions and event-selection criteria are provided to decouple most of the background rate at low energies. Our final results for events with energies as low as $5$ ionized electron-hole pairs show that the exponentially increasing rate of events seen in other technologies is not present in our data. This demonstrates that the Skipper CCD proves to be among the best options to measure low energy and weakly interacting particles at ground level.

研究动机与目标

• 证明Skipper-CCD在地表实验中实现低能粒子探测的可行性。
• 识别并缓解地表运行中Skipper-CCD的主导背景源。
• 在低于1 keV的能量范围内实现稳定、低背景的性能，而其他技术在此区域表现出事件率指数级增长。
• 验证空间与电荷基选择标准在厚、完全耗尽CCD中排除非物理事件的有效性。
• 在基于地表的测量中，直接对比Skipper-CCD与当前最先进的低阈值技术的性能。

提出的方法

• 使用Sunpower制冷机将单电子分辨率的Skipper-CCD在140 K下运行，以最小化热噪声。
• CCD被封装在2英寸的铅屏蔽罩中，未使用放射纯度过滤，依赖被动屏蔽和事件选择进行背景抑制。
• 应用空间选择标准：仅保留y方向尺寸在0.3至1.0像素之间的事件，以排除串行寄存器事件。
• 应用电荷基筛选：仅保留总电荷低于2000 e−的事件，并剔除串行寄存器中电荷过高的事件。
• 使用基于扩散输运模型的模拟框架，估算在整个能量谱范围内的选择效率。
• 最终能量谱按有效质量归一化，但未按选择效率归一化，从而可与其它基于地表的低阈值实验直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙射线背景较高的地表环境下，Skipper-CCD能否在亚keV能量下实现稳定、低背景运行？
• RQ2 在地表运行中，Skipper-CCD的主要背景源是什么？能否通过空间与电荷基事件选择有效抑制？
• RQ3 在地表条件下，Skipper-CCD的背景率是否像其他低阈值技术一样在低能区呈指数增长？
• RQ4 在基于地表的测量中，Skipper-CCD的性能与其它领先低阈值技术（如SuperCDMS、Nucleus-1g、EDELWEISS）相比如何？
• RQ5 空间与电荷基筛选的选择效率在多大程度上扭曲了探测器的本征能量谱？

主要发现

• Skipper-CCD在5对电子-空穴（等效能量约7.5 eV）时表现出稳定的背景性能。
• 最终能量谱在低能区未出现事件率指数上升，与其它低阈值技术在地表运行时表现出的该行为形成鲜明对比。
• 等效沉积能量从5 e−至2000 e−（7.5 keV）范围内的背景率为12千可探测率单位（kdru），表明背景水平低且平坦。
• 空间与电荷基筛选有效抑制了串行寄存器和暗电流事件，且选择效率在整个能量谱范围内基本保持平坦。
• 与EXCESS研讨会中其他低阈值技术的对比显示，Skipper-CCD在500 eV以下的背景率最低，证实其在地表低能实验中的优越性。
• 模拟结果证实，选择标准未扭曲探测器的本征能量谱，因为效率在所有能量通道中均保持近似恒定。