암흑물질 탐색을 위한 CsI 섬광검출기의 특성시험 (2)

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1 암흑물질 탐색을 위한 CsI 섬광검출기의 특성시험 (2)
김태연,양명수,최진명,이현수,안형진,원은일,박일흥,김선기(서울대), 강운구,오은양,김영덕(세종대), 권영준,김상열,김태한,김홍주,황명진(연세대), 이무현(University of Maryland). 1. 실험소개 2. CsI(Tl) 결정의 백그라운드 3. PMT 테스트 4. 결론 및 전망

2 Elastic Scattering of WIMP off a nucleus in the crystal
1. 실험소개 되튄 원자핵의 (이온화) 에너지 손실을 검출 Elastic Scattering of WIMP off a nucleus in the crystal Energy loss by ionization and lattice vibration WIMP Cs I Recoiled nucleus

3 Detector requirements
WIMP Mass (the Lightest Supersymmetry Particle) ~ GeV Speed ~ 270 km/s Density ~ 0.3 GeV/cm3 Cross section is very small : less than cm2 Recoil energy of nucleus is also very small : less than100 keV Background(gamma-rays, neutrons, X-rays, cosmic rays) is very large Detector has large target mass Detector can measure tiny energy ~ few keV Detector have to be made of pure material

4 암흑물질 탐색을 위한 CsI 섬광검출기의 특성시험 (1)
김태연,안형진,이용철,원은일,김홍주,김선기(서울대학교),김영덕(세종대학교),하장호,채종서(원자력병원) 암흑물질 후보로서 관심을 끌고 있는 WIMP(Weakly Interacting Massive Particle)의 탐색은 지금까지 예견되어진 성질을 근거로 볼 때 CsI 섬광검출기로 검출이 가능하다. 실험실에서 감마선과 알파입자에 대한 CsI(Tl) 및 CsI(Na) 결정들의 반응특성들을 알아보았다. 특히 감마선과 알파입자들은 그들이 만드는 전기적 신호들의 서로 다른 시간특성을 이용하여 구분해 냈다. 그리고 결정내에서 중성입자에 의한 되튐 원자핵의 반응을 알아보기 위한 R & D가 진행중이다. 한편 WIMP와 물질과의 낮은 반응율 때문에 검출시스템의 백그라운드 성분을 알아보았고 이를 현저히 줄일 수 있는 방법을 연구중에 있다. 발표논문 대표자:김태연 발 표 자:김태연 공동저자:not written 발표희망분과명:particle 발표: Oral Session with OHP File translated from TEX by TTH, version 2.65. On 23 Oct 2000, 16:40. 암흑물질 탐색을 위한 CsI 섬광검출기의 특성시험 (1)

5 Pulse shape discrimination
a-ray from 210Po g-ray from 134Cs

6 Test set-up I (‘99,6) Homyung Mt.(虎鳴山) Reservoir Access tunnel(1.4km)
Power plant Homyung Mt.(虎鳴山) Reservoir Laboratory Access tunnel(1.4km) 350m Pukhan River(北漢江) Test set-up I (‘99,6)

7

8 Background spectrum of
CsI crystal with 15cm Pb shield 계수율(counts/keV/kg/day) Energy (keV)

9 Cosmic-ray muon flux (‘99,10)
지상실험실(Sea level) 지하 350 m 실험실

10 Test set-up II (‘00,4)

11 Background spectrum of
2. CsI(Tl) 결정의 백그라운드 Background spectrum of CsI crystal in set-up II 계수율(counts/keV/kg/day) Energy (keV)

12 Energy spectrum of CsI(Tl)

13 Energy spectrum of CsI(Tl)
: Budker Institute of Nuclear physics (Ukraine) : Shanghai Institute of Ceramics (China) : Crismatec (France)

14 ICP-mass analysis result

15 BELLE’s study of CsI(Tl) crystal

16 Monte Carlo simulation
g-rays and b-rays of 87Rb, 134Cs, and 137Cs + GEANT 87Rb 134Cs 137Cs Total <Measured spectrum> 87Rb = 1 ppb 134Cs = 30 pCi 137Cs = 0.3 pCi

17 결정별 137Cs의 함유량 및 방사능

18 3. PMT test Photoelectron distributions 9265B D726UK 9302B

19 Photoelectron distributions
D726UK 9302B

20 Spectrum of 57Co 9265B 9302B

21 D726UK Number of photoelectrons

22 3. PMT 테스트 9265B D726UK Low background glass PMT (Electron tubes Ltd.)
40K( keV) peak Channel 9265B (Bialkali photocathode) D726UK (RbCs photocathode)

23 4. 결론 및 전망 현재 실험에 사용할 PMT를 Electron Tubes 사의 모델 D726UK로
결정하고 일부 수량을 주문하였음. 기존의 CsI(Tl) 결정은 87Rb, 134Cs, 그리고 137Cs의 방사능 동위원소에 오염이 되어 있지만 충분히 개선의 가능성이 있음. 측정결과 및 컴퓨터 모사계산을 근거로 우리 실험에 적합한 배경 방사능물질이 적은 CsI 결정 구입을 위하여 CsI 결정 제조 회사들과 접촉하고 있음.

24 Communication Status with Crystal Producers
MooHyun Lee (Univ. of Maryland) CRISMATEC : Discussed with their sales manager about their experiences related with DAMA and technical information and expected prices of crystals (about 2-3 times of normal one). Waiting for the discussion result with their chemist who are taking care of low background R&D with DAMA. SIC(Shanghai Institute of Ceramics) : Waiting for the reply from the technical staffs about their interests and experiences with the low background crystal. ISC(Institute of Single Crystal)/AMYCRYS-H ) : Expect to receive the discussion result with their specialist on next Tuesday.

25 요구사항