Quenching factor studies in NaI and muon veto design for the COSINUS dark matter experiment

Abstract

Erdrückende gravitative Beweise bestätigen die Existenz von Dunkler Materie (DM), doch ihre fundamentale Natur bleibt ungeklärt. DAMA/LIBRA berichtet als einziges Experiment von einer jährlichen Modulation, die mit DM konsistent ist, während zahlreiche unabhängige Experimente den Parameterraum unter bestimmten Modellannahmen ausgeschlossen haben. Eine modellunabhängige Verifizierung unter Verwendung desselben Natriumiodid (NaI)-Targetmaterials ist daher unerlässlich. Das COSINUS-Experiment am LNGS in Italien verwendet als einziges Experiment undotiertes NaI als kryogenes Kalorimeter mit Zweikanal-Auslese, wobei die Datennahme 2026 beginnt.Diese Dissertation präsentiert zwei komplementäre Studien. Die erste untersucht, wie die Thallium (Tl)-Dotierungskonzentration den NaI(Tl)-Quenching-Faktor (QF) beeinflusst, einen kritischen Parameter für die Bewertung der DAMA/LIBRA-Aussage. QF-Messungen an fünf ultrareinen NaI-Kristallen mit unterschiedlichen Tl-Konzentrationen wurden am TUNL unter Verwendung eines monoenergetischen Neutronenstrahls durchgeführt. Monte-Carlo-Simulationen wurden entwickelt, um das Szintillationsverhalten zu kalibrieren und wahre Rückstoßspektren bereitzustellen. Die Ergebnisse zeigen eine Energieabhängigkeit des Natrium-QF (1–30 keVnr), deuten auf eine Abhängigkeit von der Tl-Konzentration hin und zeigen, dass die extrahierten Werte je nach Kalibrierungsmethode variieren.Die zweite Studie beschreibt den Monte-Carlo-basierten Entwurf und die Optimierung des COSINUS-Wasser-Cherenkov-Myon-Vetos. Die Studie untersuchte verschiedene Triggerbedingungen, PMT-Setups, reflektierende Folien und Totzonen, um die Veto-Effizienz zu maximieren und gleichzeitig die Untergrund-Triggerate zu unterdrücken. Die optimierte Konfiguration erreicht einen durch Myonen induzierten Neutronenuntergrund von 0,11 ± 0,02 cts kg−1 yr−1 und eine Gesamtveto-Effizienz von 97,0 ± 0,3 %.Zusammen ermöglichen diese Fortschritte einen definitiven Test der DAMA/LIBRA-Aussage zur jährlichen Modulation und lösen damit eine Schlüsselfrage der Astroteilchenphysik.

Overwhelming gravitational evidence confirms the existence of dark matter (DM), yet its fundamental nature remains unresolved. DAMA/LIBRA uniquely reports an annual modulation consistent with DM, while numerous independent experiments have excluded the parameter space under certain model assumptions. A model-independent verification using the same sodium iodide (NaI) target material is essential. COSINUS at LNGS, Italy, uniquely operates undoped NaI as a cryogenic calorimeter with dual-channel readout, with data-taking starting in 2026. This dissertation presents two complementary studies. The first examines how thallium (Tl) dopant concentration affects the NaI(Tl) quenching factor (QF), a critical parameter for evaluating the DAMA/LIBRA claim. QF measurements on five ultra-pure NaI crystals with varying Tl levels were performed at TUNL using a monoenergetic neutron beam. Monte Carlo simulations were developed to calibrate the scintillation response and provide true recoil spectra. Results reveal an energy dependence of the sodium QF (1–30 keVnr) and indicate a dependence on Tl concentration, and that extracted values vary by calibration method. The second study details the Monte Carlo-based design and optimization of the COSINUS water Cherenkov muon veto. The study explored different trigger conditions, PMT setups, reflective foils, and dead layers to maximize veto efficiency while suppressing background trigger rate. The optimized configuration achieves a muon-induced neutron background of 0.11 ± 0.02 cts kg−1 yr−1, an overall veto efficiency of 97.0 ± 0.3%. Together, these advancements enable a definitive test of the DAMA/LIBRA annual modulation claim, resolving a key question in astroparticle physics.