Light yield and quenching factor simulations based on Birks’ law for a CRESST-like CaWO4 Crystal

Abstract

Das CRESST-Experiment sucht mittels Detektion elastischer Kernrückstöße in kryogenen CaWO4-Kristallen nach Dunkler Materie. Zu diesem Zweck ist ein Zwei-Kanal-Ausleseverfahren implementiert, welches sowohl das Szintillations- als auch das Phonon-Signal jeder Interaktion im Detektor misst. Über das Verhältnis dieser Signale definiert man die Lichtausbeute (LY) und den Quenching-Faktor (QF) jeder Interaktion. Da LY und QF Teilchen-abhängig sind, sind sie essentielle Größen für die Diskriminierung des detektierten Backgrounds. In der vorliegenden Arbeit sollen experimentell beobachtete Lichtausbeuten und Quenching-Faktoren mithilfe eines Simulationsmodells basierend auf dem Birks-Gesetz modelliert werden. Dies könnte zur Verbesserung der Parametrisierung der Kernrückstoß-Daten beitragen. Bisher sind phenomenologische Fit-Funktionen mit 9 freien Parametern in Verwendung. Durch das Birks-Modells reduziert sich die Anzahl der benötigten Parameter auf 2, welche außerdem unabhängig vom wechselwirkenden Teilchen und daher einfacher zu bestimmen und universeller in ihrer Anwendung sind. Um das Modell zu testen werden Simulationen in einem auf Geant4 basierenden Framework durchgeführt. Im niederenergetischen Bereich auftretende Probleme werden analysiert und Lösungen präsentiert. Verschiedene Code-Erweiterungen und Modelle des Bremsvermögens der Teilchen werden getestet und tiefgehende Einblicke in den Simulationsmechanismus gewonnen. Die finalen Resultate zeigen deutliche Verbesserungen zu jenen, die bei Verwendung der standardisierten Geant4-Physik-Listen gewonnen werden. Eine präzise Reproduktion der experimentellen Ergebnisse ist allerdings speziell bei niedrigen Energien (< 100 keV) nicht möglich, da die Genauigkeit des Birks-Modells hier an seine Grenzen stößt.

The CRESST experiment searches for dark matter particles via elastic scattering off target nuclei in cryogenic CaWO4 crystals. A two-channel readout system is applied, measuring the light and phonon signal of each interaction. The ratio between these signals defines the Light Yield (LY) and Quenching Factor (QF). These quantities are employed to distinguish between different incident particles and are hence essential for background discrimination. Within this thesis, experimentally observed LYs and QFs shall be reproduced by developing a simulation model based on Birks’ Law. This model could simplify and improve the parametrization of the nuclear recoil data. In the ideal case, the phenomenological parametrization employing 9 particle-dependent parameters could be replaced by the Birks parametrization, which only makes use of 2 particle-independent parameters. Our simulations are run within a framework based on Geant4. Problems occurring with processes at low energies are being analyzed and solved. Various energy loss models are compared and a profound insight into the simulation procedure is gained. The final results yield a good estimate of all LY and QF curves. However, they fail in precisely reproducing experimental data especially at low energies (< 100 keV), where Birks’ Law is not sufficiently accurate.