Monte Carlo Simulations of Light Scintillation in NaI for the COSINUS Collaboration

Abstract

Das cryogenic observatory for signatures seen in next-generation undergroundsearche (COSINUS) ist ein neuartiges Experiment zur direkten Detektion von Dunkler Materie, das darauf ausgelegt ist, das von DAMA/LIBRA gemeldete Signal zu überprüfen. COSINUS verwendet NaI-Detektor-Kristalle, die bei kryogenen Temperaturen betrieben und mit transition edgeSensoren ausgestattet sind, um Phononen/Wärme aus dem Energieverlust von Teilchen im Inneren desKristalls zu messen. Zusätzlich erfasst ein Lichtdetektor das vomNaI-Kristall emittierte Szintillationslicht. Zusammen ermöglichen diese beiden Kanäle eineTeilchenunterscheidung auf Ereignisbasis. Dennoch ist das Verständnis der Hintergrundbedingungen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden Monte-Carlo-Simulationen des elektromagnetischen Hintergrunds aufgrund von Kontamination durch natürlich vorkommende Radionuklide durchgeführt. Aus den Simulationsergebnissen erhalten wir ein Hintergrundspektrum und eine Hintergrundereignisrate. Wir verwenden ein empirisches Light-Yield (LY) Modell, um die leakage Rate für elektromagnetische Hintergrundereignisse in den Signalbereich, als Funktion der Basis-Energieauflösungen der Phonon- und Lichtdetektoren, vorherzusagen. Wir untersuchen auch die Modellierung des Quenching-Faktors (QF) mit semi-empirischen Szintillationsmodellen. Es konnte gezeigt werden, dass das Birks-Gesetz für die Beschreibung von QF-Daten in NaI(Tl) ungeeignet ist. Folglich passen wir ein von Payne et al. eingeführtes Modell für die LY von Elektronen in anorganischen Szintillatoren bei Kernrückstößen an, indem wir die nichtionisierenden Energieverluste der Ionen berücksichtigen. Schließlich verwenden wir dieses Modell zur Anpassung der QFs in NaI(Tl). Mit nur drei Anpassungsparametern gelingt es uns, eine gute Beschreibung der energieabhängigen QF für Na- und I-Rückstöße in NaI(Tl) zu erzielen.

The cryogenic observatory for signatures seen in next-generation undergroundsearches (COSINUS) is a novel dark matter direct detection experiment, designedto cross-check the claimed DAMA/LIBRA signal. COSINUS employs NaI detec-tor crystals, operated at cryogenic temperatures and instrumented with transitionedge sensors to measure phonons/heat from particle energy depositions inside thecrystal. Additionally a light detector collects the scintillation light emitted bythe NaI crystal. Together, those two channels can provide event-by-event particlediscrimination. Nevertheless, understanding the background conditions is crucial.In this work, Monte Carlo simulations of the electromagnetic background fromcontamination with naturally occurring radionuclides are performed. From thesimulation results we obtain a background spectrum and background event rate.We use an empirical light yield (LY) model to project the leakage rate for electro-magnetic background events into the signal region, as a function of the baselineenergy resolutions of the phonon and light detectors. We also study the modelingof the quenching factor (QF) with semi empirical scintillation models. It could beshown that Birks’ law is unsuited for describing QF data in NaI(Tl). Consequentlywe adapt a model introduced by Payne et al. for the LY of electrons in inorganicscintillators for nuclear recoils by taking the non-ionizing energy losses of ions intoaccount. Finally, we use this model for fitting the QF in NaI(Tl). With only threefit parameters we are able to achieve a good description of the energy dependentQF for Na and I recoils in NaI(Tl).