액체 크세논 검출기에서 펄스 형태 구분의 한계 돌파

초록

LZ 실험에서 전자반동(ER) 배경을 추가로 억제하기 위해 개별 광자 도착 시간을 재구성하는 프레임워크를 구축하고, 프롬프트 비율 판별기를 최적화하였다. ER 누수율을 최대 15%까지, 124Xe 이중 전자 포획과 같은 특수 배경에서는 약 5%까지 낮추었다. 전하‑광 비율과 결합한 이중 요인 구분(TFD)은 큰 S1 펄스에서 위양성률을 최대 2배 감소시켰으며, WS2024 데이터에 적용한 성능을 보고한다.

상세 분석

본 연구는 액체 크세논(LXe) 탐지기에서 펄스 형태 구분(PSD)의 실용성을 정량화하고, 기존의 전하‑광 비율(Charge‑to‑Light) 방법과의 시너지 효과를 입증한다. LXe에서 싱글렛과 트리플렛 상태의 수명 차이가 2–4 ns와 21–28 ns에 불과해 PSD가 어려운 점을 인식하고, 광자 도착 시간의 1 ns 이하 정밀 보정을 위해 LED 기반 채널별 타이밍 캘리브레이션을 수행하였다. 이후, 개별 PMT 파형을 N‑포톤 모델(최대 3광자)로 피팅해 각 광자의 도착 시각과 진폭을 추출함으로써, S1 펄스의 시간 프로파일을 고해상도로 복원한다. 이때, 베이즈 정리를 이용해 최적 N값을 선택하고, 광자 전송 시간의 위치 의존성을 보정하는 z‑보정 절차를 도입해 전체 탐지 부피에 걸친 일관된 PSD 성능을 확보하였다. 최적화된 프롬프트 프랙션(시간 창 0–30 ns) 판별기는 ER 이벤트에서 15%의 누수율을 보였으며, 124Xe 이중 전자 포획과 같이 초기 프롬프트 비율이 높은 배경에서는 5% 이하로 억제한다. 전하‑광 비율과 결합한 두 요인 구분(TFD)은 ROC 곡선에서 ER 누수 10% 수준에서 NR 효율을 30% 이상 향상시켰으며, 특히 S1 크기가 100 phd 이상인 경우 위양성률을 기존 방법 대비 최대 2배 감소시켰다. 마지막으로 WS2024 데이터에 적용한 결과, 기대한 PSD 향상이 실제 데이터에서도 재현되었으며, 전체 WIMP 탐색 민감도 향상에 기여할 수 있음을 확인하였다. 이 연구는 LXe 검출기에서 고정밀 광자 타이밍 재구성을 통한 PSD 활용 가능성을 실증하고, 차세대 다중 요인 배경 억제 전략의 설계 기반을 제공한다.