[论文解读] Track length measurement of $^{19}$F$^+$ ions with the MIMAC Dark Matter directional detector prototype

Y. Tao, Beaufort, C.+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究首次利用MIMAC方向暗物质探测器的5厘米漂移原型，在低动能能区（6–26 keV）对19F+离子实现了3D轨迹长度的实验测量。作者发现测量值与模拟值之间存在显著差异，归因于高增益Micromegas倍增间隙中离子反流引起的空间电荷效应，并提出一种基于闪光-ADC信号不对称性的校正方法，以恢复真实的物理轨迹长度，从而显著改善了与模拟结果的一致性。

ABSTRACT

Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are one of the most preferred candidate for Dark Matter. WIMPs should interact with the nuclei of detectors. If a robust signal is eventually observed in direct detection experiments, the best signature to confirm its Galactic origin would be the nuclear recoil track direction. The MIMAC collaboration has developed a low pressure gas detector providing both the kinetic energy and three-dimensional track reconstruction of nuclear recoils. In this paper we report the first ever observations of $^{19}$F nuclei tracks in a $5$ cm drift prototype MIMAC detector, in the low kinetic energy range ($6$-$26$ keV), using specially developed ion beam facilities. We have measured the recoil track lengths and found significant differences between our measurements and standard simulations. In order to understand these differences, we have performed a series of complementary experiments and simulations to study the impact of the diffusion and eventual systematics. We show an unexpected dependence of the number of read-out corresponding to the track on the electric field applied to the $512\ \mathrm{\mu m}$ gap of the Micromegas detector. We have introduced, based on the flash-ADC observable, corrections in order to reconstruct the physical 3D track length of the primary electron clouds proposing the physics behind these corrections. We show that diffusion and space charge effects need to be taken into account to explain the differences between measurements and standard simulations. These measurements and simulations may shed a new light on the high-gain TPC ionization signals in general and particularly at low energy.

研究动机与目标

• 在原型方向暗物质探测器中测量低能19F+离子（6–26 keV）的3D轨迹长度。
• 研究低能核反冲事件中测量轨迹长度与标准蒙特卡罗模拟之间的差异。
• 识别并量化系统效应（尤其是空间电荷和离子反流）对高增益Micromegas探测器中轨迹长度测量的扭曲影响。
• 开发并验证一种基于闪光-ADC信号不对称性的校正方法，以恢复真实的物理轨迹长度。

提出的方法

• 使用一个10.8×10.8×5 cm³的MIMAC原型，其Micromegas倍增间隙为512 µm，工作于50 mbar压力下，气体混合物为CF4/CHF3/i-C4H10。
• 利用LHI和COMIMAC设施产生低能19F+离子束，以提供精确的反冲能量。
• 通过二维阳极读出（X和Y条纹）与网格时间采样闪光-ADC信号相结合，实现电子云漂移的3D重建。
• 分析闪光-ADC信号的上升与下降时间，定义一个“不对称因子”，用于校正因空间电荷导致的有效漂移速度降低。
• 使用Garfield++进行模拟，以建模电子漂移与雪崩发展过程，并对离子反流和电场畸变进行调整。
• 基于不对称因子应用系统性校正，该因子与倍增间隙中增益和离子密度的增加相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在6–26 keV能区下，19F+离子的测量3D轨迹长度显著长于MIMAC原型中标准模拟预测的值？
• RQ2 Micromegas倍增间隙中的电场如何影响阳极读出数量及低能离子的表观轨迹长度？
• RQ3 由离子反流引起的空间电荷效应在多大程度上扭曲电场并降低次级电子的有效漂移速度？
• RQ4 闪光-ADC信号的不对称性能否作为可靠可观测量，用于校正轨迹长度测量中的系统性失真？
• RQ5 扩散与空间电荷效应如何共同影响高增益气态TPC中低能核反冲轨迹的重建？

主要发现

• 在6–26 keV能区下，19F+离子的测量轨迹深度显著长于标准模拟预测值，表明存在未被考虑的系统效应。
• 阳极读出数量随施加的雪崩电场增加而增加，揭示了与空间电荷效应相关的非线性依赖关系。
• 闪光-ADC信号表现出随增益升高而增强的不对称性（下降时间相对于上升时间更长），表明由于离子反流导致有效漂移速度降低。
• 将不对称因子校正应用于测量轨迹深度后，所得结果与模拟结果一致，证实该方法能有效缓解空间电荷引起的失真。
• 本研究表明，此前在标准模拟中被忽略的空间电荷效应，在低能区高增益Micromegas探测器中对轨迹长度重建具有显著影响。
• 扩散对轨迹长度的影响较小，但离子反流引起的空间电荷效应被确定为轨迹长度测量中主要的系统误差来源。