Pulse Shape Analysis of Alpha Particles for the 100kg XMASS Proto-type Detector

Abstract

XMASS는 드물게 일어나는 물리적 현상을 일본 Kamioka의 매우 낮은 백그라운드의 환경에서 측정하고자 하는 목적을 가지는 지하 실험이다. XMASS의 주된 물리적 목표는 차가운 암흑 물질, 중성미자가 없는 이중 베타 붕괴 (neutrinoless double beta decay) 그리고 낮은 에너지의 중성미자를 높은 수준으로 정제된 액체 제논을 검출기를 사용하여 탐색하는 것이다. 현재는 원형(原型,prototype) 검출기가 주조되었으며 이 원형 검출기를 사용하여 두 개의 테스트 실험이 행해졌다. 대부분의 알파가 ^(238)U과 ^(232)Th의 붕괴 체인에서 기인하는데 이 붕괴 체인에서 나오는 베타와 감마가 낮은 에너지의 백그라운드에 영향을 주기 때문에 알파 입자의 분석은 WIMP(Weakely Interacting Massive Particle) 탐색에 있어 매우 중요하다. 알파의 양을 측정하면 ^(238)U과 ^(232)Th의 양을 추정할 수 있고 이를 통해 낮은 에너지의 베타와 감마의 양을 확실히 알 수 있다. 또한 일단 ^(238)U과 ^(232)Th 체인에서 기인하는 알파의 양을 확실히 알기만 하면 베타 백그라운드의 경우 베타와 감마의 지연된 코인시던스(delayed coincidence)를 이용하여 줄일 수 있다. 따라서 만약 ^(238)U과 ^(232)Th의 양이 많을 경우에는 베타 백그라운드를 이 방법으로 줄이는 것이 가능하다. 마지막으로 알파 입자는 검출기 주변의 다른 물질들과 반응해서 중성자를 만들어낸다. (α,n) 반응에 의해 생성되는 이러한 중성자들은 WIMP의 시그널을 모방하므로 검출기의 민감도를 저해하는 주요 원인이 될 수 있다. 그러므로 검출기와 관련된 알파 입자에 대한 주의 깊은 연구는 전체 백그라운드의 모양과 백그라운드의 원인을 이해하는데 매우 중요하다. 이 논문에서는 두번째 테스트 실험에서 얻어진 섬광 아날로그-디지털-변환기(Flash Analog-Digital Converter)의 데이터를 이용한 알파 입자 분석에 대한 결과를 보여주고자 한다. 먼저 섬광 아날로그-디지털-변환기를 이용한 알파와 감마의 분리를 통해서 검출기의 알파 입자의 양을 추정하였다. 또한 알파 입자의 위치 정보로부터 알파의 원인을 설명할 수 있는 간단한 모형을 제안하며 이 모형이 데이터와 일치하는 결과를 예측함을 보일 것이다. 액체 제논을 보일 것이다. 액체 제논을 회수하는 과정에서 데이터에 나타났던 제논의 기체상에서 기인하는 알파로 생각되는 입자 역시 소개될 것이다.;XMASS is an underground experiment aimed at searching for rare phenomena under an ultra-low background environment located in Kamioka mine of Japan. The main physics goals of XMASS are to investigate cold dark matter, nuetrinoless double beta decays, and low-energy solar neutrinos by using high purity liquid xenon detector. A prototype detector was constructed and 2 series of test experiments were carried out with the detector. Alpha particle analysis is very important to WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) search because alpha mostly comes from ^(238)U and ^(232)Th chain and the gamma and beta from these chains influence the low energy background. Through measuring the amount of alpha, we can estimate the amount of ^(238)U and ^(232)Th and can obtain the amounts of low energy gamma and beta exactly. In addition, once we know the amount of alpha from ^(238)U and ^(232)Th chain, there is a method which can reduce the beta background using delayed coincidence with beta and alpha from these chains. Even in case that the amount of ^(238)U and ^(232)Th are large, it is possible to reduce the beta background using this method. Finally, alpha particles produce neutrons from interactions with other materials surrounding the detector. These neutrons from the (α, n) reactions mimic the WIMP signal, which may be a crucial factor that limits the sensitivity of the detector. Therefore a careful study of alpha particles related to the detector is important to understand the overall background shape and the origin of the backgrounds. In this thesis, based on the second test experiment, alpha particle analysis using the data taken with flash ADCs (Flash Analog-to-Digital Converter) would be presented. Through alpha-gamma separation using flash ADCs, the amount of alpha in the detector is estimated. From the location information of alpha particles, a simple model which can explain the origin of alpha is suggested and this model shows consistent expectation with the data. The particles, most likely alpha particles, from the gas phase of Xe in our data during the extraction process of LXe from the detector also would be introduced.