Cryogenic characterisation of the FBK NUV-HD-cryo Silicon Photomultipliers for the DarkSide-20k dark matter experiment
本論文では、次世代のDarkSide-20k液体アルゴン暗黒物質実験に関連する温度における、ダークノイズ、ゲイン、クロストーク、および光子検出効率の測定を含む、FBK NUV-HD-cryo シリコン光増倍管の極低温特性評価について述べる。
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イタリアのグラン・サッソ山の遥か深部では、宇宙で最も捉えどころのない住人であるダークマター（暗黒物質）の、最も微かな囁きを聞き取るための巨大な実験が構築されている。科学者たちは、この目に見えない物質が宇宙の物質の大部分を構成していると考えているが、それは私たちが目にしたり触れたりできる普通の物質とは滅多に相互作用しない。ダークマター粒子の一端を捉えるために、研究者たちは数トンの液体アルゴンを満たしたタンクを使用している。これは、標的であると同時に検出器としても機能する超低温の流体である。ダークマター粒子がアルゴンの原子に衝突すると、小さな光の閃光が生じる。課題は、これらの閃光が極めて暗く、多くの場合、わずか数個の光子（フォトン）で構成されていることであり、それらは背景ノイズの海の中で発生するという点である。これらを見るためには、単一の光子を捉えるのに十分な感度を持つだけでなく、凍てつく暗闇の中で自ら偽の信号を生成しないほど静かな「目」が必要となる。
現在建設中のDarkSide-20k実験は、シリコンフォトマルチプライヤーと呼ばれる新しいタイプの光センサーに依存している。古い実験で使用されていた従来の真空管とは異なり、これらのセンサーはコンピュータのチップに似た、光を検出するために設計されたシリコン製の固体デバイスである。これらが選ばれた理由は、極低温で作動できる能力と、自然放射能を持たないという点にある。これは、センサー自体からの背景放射線がダークマターの信号を模倣してしまう可能性があるため、非常に重要である。しかし、これらのセンサーは、その任務のために完成させる必要があった。初期のバージョンは寒さの中で苦戦し、内部ノイズを過剰に発生させ、微かなダークマターの囁きをかき消してしまう偽の信号を作り出した。研究者たちは、最新世代のセンサー（Fondazione Bruno Kesslerによって開発されたもの）が、液体アルゴンの過酷な環境下で完璧に動作できることを証明する必要があった。
センサーが地下深くへ行く準備ができていることを確認するため、科学者チームはカナダとイタリアの2つの異なる研究所で、厳格な一連のテストを実施した。彼らはセンサーを、液体窒素と同じ温度である、絶対零度よりわずか77度高い77ケルビンまで冷却した。この凍てつく状態で、彼らは完全な暗闇の中でセンサーがどのように振る舞うかを測定した。光がない状態でも発生するランダムな電子パルス、すなわち「ダークノイズ」をカウントしたところ、新しいセンサーは驚くほど静かであることが分かった。これらの偽信号の発生率は、実験が実際の事象を背景ノイズから区別できるほど十分に低かった。また、単一の光子がセンサーに衝突した際の反応を調べ、生成される電気電荷を測定した。これにより、センサーのゲイン（信号をどれだけ増幅するか）を算出することができ、電圧が上がると予測通りにこの増幅が増加することも確認された。
テストの重要な部分は、センサーが誤って互いにトリガーしてしまう可能性を理解することであった。ある光子がセンサーに当たり信号を生み出すと、二次的な光子が放出されて隣のセンサーに飛び込み、偽の信号の連鎖反応を引き起こすことがある。研究者たちはこの「クロストーク」を測定し、新しいセンサーではこれが大幅に抑制されるよう設計されていることを見出した。また、トラップされた電荷によって、最初のヒットの直後にセンサーが再び発火する現象である「アフターパルシング」についても調査した。新しい設計はこの影響を十分に減少させており、実験のニーズに対しては実質的に無視できるレベルとなっている。これらの知見は、センサーが最終的な検出器において、混乱を招くような誤報の嵐を作り出さないことを裏付けた。
その後、チームはセンサーが設計された通りの光を実際にどれだけよく見ることができるかに注目した。DarkSide-20k実験において、液体アルゴンはセンサーには見えない紫外線領域の光を放出する。この光を見えるようにするために、タンクには紫外線を吸収して青い光として再放出する特殊な化学物質がコーティングされている。研究者たちは、幅広い色域におけるこれら青色の光の検出効率を測定した。その結果、センサーはこれらの光子を捉える能力が非常に高く、効率は50パーセント近くにピークに達することが分かった。これは、正しい色の光子がセンサーに当たると、2個につき1個が正常に検出され、記録されることを意味している。また、この効率が波長によってどのように変化するかをマッピングし、センサーが実験のコーティングによって生成される特定の青色光に完璧に調整されていることを確認した。
最後に、科学者たちは電気的なアバランシェ（雪崩）が発生している間に、センサー自体から放出される二次的な光子について調査した。これらの迷い込んだ光子は液体アルゴン中を伝わり、他のセンサーをトリガーして、実験のコンピュータモデルが考慮すべき外部クロストークの一形態を引き起こす可能性がある。チームはセンサーにレーザーを照射し、非常に敏感なカメラで放出される微かな光を捉えることで、この二次的な光のスペクトルと強度を測定した。彼らはこれらの測定値を用いて、どれだけの数の迷い込んだ光子がセンサーから脱出し、最終的な検出器内の液体アルゴン中を伝わるかを予測した。このデータは、正確な実験シミュレーションを構築するために不可欠であり、これにより物理学者は、真のダークマター信号と、センサー自身によって引き起こされる複雑な相互作用のネットワークを区別することができるようになる。
この論文に記述された包括的なテストは、新しいシリコンセンサーが挑戦への準備ができていることを裏付けている。それらは高い感度と低いノイズ、そして最小限の干渉を兼ね備えており、DarkSide-20k実験にとって理想的である。極低温下で信頼して動作し、潜在的なダークマターの相互作用による微かな光の閃光を正確に検出できることを証明することで、研究者たちは、これまで試みられた中で最も感度の高いダークマター探索の一つに向けた強固な基礎を築いた。この成果により、検出器が完全に稼働したとき、それは最も澄んだ「耳」を持って、宇宙の最も深い秘密を聞き取る準備ができていることが保証されたのである。
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