Detection of scintillation light in noble gases with wavelength-shifting optical fibers

Resumen Técnico: Detección de luz de centelleo en gases nobles con fibras ópticas de desplazamiento de longitud de onda

Planteamiento del problema
Los detectores basados en gases nobles (xenón y argón) son fundamentales para las búsquedas de eventos raros, incluyendo la doble beta sin neutrinos y la dispersión de materia oscura. Un desafío principal en estos detectores es la recolección eficiente de la luz de centelleo, que se emite en la región del ultravioleta de vacío (VUV) (~128 nm para el argón, ~175 nm para el xenón). Los fotodetectores convencionales son insensibles al VUV, y los materiales ópticos estándar lo absorben fuertemente. Si bien las técnicas de desplazamiento de longitud de onda (WLS, por sus siglas en inglés) son una solución conocida, su rendimiento en entornos gaseosos de alta presión —específicamente para futuros TPCs de xenón gaseoso de alta presión a escala de toneladas (HPGXe-TPCs) como los del programa NEXT— requiere una cuantificación rigurosa. Los diseños actuales que dependen de tubos fotomultiplicadores (PMTs) enfrentan problemas de escalabilidad debido a los fondos radiactivos y la complejidad mecánica de separar los PMTs de los volúmenes de alta presión. Los fotomultiplicadores de silicio (SiPMs) ofrecen una alternativa de alta pureza radiactiva, pero introducen altas tasas de conteo oscuro a temperatura ambiente y requieren un número masivo de canales para la lectura directa. Las fibras WLS ofrecen una solución potencial para reducir el número de canales y permitir la operación directa en xenón de alta presión, pero su eficiencia de recolección de luz (LCE) y su respuesta temporal en estas condiciones específicas no habían sido caracterizadas exhaustivamente.

Metodología
Los autores desarrollaron y operaron dos prototipos experimentales complementarios para investigar fibras WLS recubiertas con TPB en xenón y argón gaseosos a presiones de hasta 8.5 bar.

1. Configuración basada en SiPM de alta presión: Un recipiente alargado de campo cero (350 mm de longitud, ~37×37 mm² de sección transversal) revestido con cuatro paneles de PTFE. Cada panel fue instrumentado con 30 fibras WLS Kuraray Y11 multicapa (1 mm de diámetro), recubiertas con ~3 µm de tetrafenilbutadieno (TPB) para desplazar el VUV a longitudes de onda visibles. Un extremo de cada fibra fue aluminizado para reflexión. Las fibras fueron agrupadas y leídas por SiPMs Hamamatsu S13360-6075PE, los cuales fueron enfriados activamente (6.0°C–14.0°C) para suprimir los conteos oscuros. El sistema utilizó purificación de gas continua mediante un getter caliente.
2. Configuración atmosférica basada en PMT: Un detector compacto en forma de caja (74×74×84 mm³) lleno de xenón a 1 bar. Las paredes fueron instrumentadas con 64 fibras WLS Luxium BCF-91A, también recubiertas con TPB. Las fibras fueron leídas por PMTs Hamamatsu H13543-20 de mejora en la región roja.

Procedimientos de medición:

• Calibración con fuente alfa: Ambos montajes fueron calibrados utilizando una fuente de $^{241}$Am (partículas alfa) para medir la eficiencia absoluta de recolección de luz (LCE). Los datos se tomaron en un rango de presión de 1.5 a 8.5 bar para la configuración de SiPM y a 1 bar para la configuración de PMT.
• Etiquetado de muones cósmicos: En la configuración de SiPM, se seleccionaron muones cósmicos de paso a través utilizando un disparador de coincidencia de centelladores de plástico externos para medir el rendimiento de centelleo como función de la presión, sin los efectos de sombreado geométrico de la fuente.
• Análisis de datos: Las formas de onda fueron reconstruidas, con su línea base restada e integradas. La calibración de fotón único se realizó para los SiPM para convertir la carga en fotoelectrones (p.e.). Las incertidumbres sistemáticas, particularmente respecto a la absorción de VUV por el soporte de acero inoxidable y las tapas finales de PTFE, fueron evaluadas mediante simulaciones Monte Carlo de Geant4.

Resultados clave

• Eficiencia de recolección de luz (LCE):
  • Configuración SiPM: Se encontró que la LCE fue constante a través del rango de presión. Para el xenón, la LCE fue de 1.18 ± 0.01 (estat) +0.07/−0.09 (sist) %. Para el argón, fue de 1.07 ± 0.01 (estat) +0.06/−0.08 (sist) %.
  • Configuración PMT: A 1 bar de xenón, la LCE se midió como 0.45 ± 0.01 (estat) ± 0.05 (sist) %. Al escalarla por la relación de eficiencias de detección de fotones (PDE de SiPM ~46% vs. PDE de PMT ~18.4%), esto extrapola a ~1.12%, mostrando un buen acuerdo con los resultados de los SiPM.
• Rendimiento de centelleo y recombinación:
  • Las mediciones de muones cósmicos en xenón mostraron un ligero aumento en el rendimiento de luz con la presión (de 0.26 p.e./keV a 1.5 bar a 0.31 p.e./keV a 8.5 bar), atribuido a efectos menores de recombinación de electrones $\delta$ o interacciones de rayos X, en lugar del rastro primario.
  • La energía media requerida para producir un fotón de centelleo ($w_{sc}$) en xenón a 1.5 bar (donde la recombinación es insignificante) se calculó en 45 ± 7 (estat) +4/−5 (sist) eV. Este valor concuerda con los valores de la literatura para condiciones de recombinación suprimida.
• Estructura temporal: Las formas de onda promedio revelaron los componentes esperados: una señal rápida (excitones singlete + respuesta de TPB/fibra), un componente triplete y una cola de recombinación retardada. La cola de recombinación fue significativamente suprimida a presiones bajas (1.5 bar) y para muones cósmicos, lo cual es consistente con una baja densidad de ionización.

Significancia y afirmaciones
El artículo demuestra que los sistemas de fibras WLS recubiertas con TPB pueden detectar de manera confiable la luz de centelleo en detectores de gases nobles de alta presión. Los autores afirman que los valores de LCE medidos representan un límite superior para TPCs realistas a gran escala, ya que los futuros detectores a escala completa incurrirán en pérdidas adicionales debido a las rejillas (cátodo, ánodo, puerta) y la atenuación de la fibra sobre distancias más largas.

A pesar de esto, los resultados sugieren que la lectura mediante fibras WLS es una solución viable y escalable para futuros HPGXe-TPCs. El sistema ofrece un bajo número de canales (reduciendo las tasas de datos y la complejidad) y permite que los SiPM operen directamente en el volumen de alta presión, eliminando la necesidad de barreras de vacío complejas y ventanas de zafiro requeridas por los PMTs. Además, la capacidad de detectar señales de baja energía (demostrada mediante rayos gamma de 59.5 keV y el potencial de calibración con $^{83m}$Kr) indica que esta tecnología puede soportar los requisitos de medición de energía y calibración de los experimentos de próxima generación, incluso si el rendimiento de luz absoluto es menor que la lectura directa por PMT. El trabajo proporciona una base cuantitativa para el diseño de futuros detectores, tales como los del programa NEXT, que avanzan hacia la operación a escala de toneladas.