Background Studies for the ECHo Experiment

Abstract

Die Zielsetzung des "Elektron Capture Ho-163'' (ECHo) Experiments ist die Bestimmung der effektiven Elektronneutrinomasse. Hierzu wird das Spektrum des Ho-163 Elektroneinfangs (EC) analysiert, welches von metallischen magnetischen Kalorimetern (MMCs) aufgenommen wird. Die MMCs sind nach einem gepixelten Schema angeordnet und mit Ho-163 implantiert. Am stärksten wird die Endpunktregion um Q_EC ~ 2.8 keV des Ho-163 EC Spektrums von der effektiven Neutrinomasse beeinflusst. Jedoch ist der Anteil an Ereignissen in der relevanten Region (ROI), 10 eV unterhalb Q_EC, mit einer Größenordnung von 10^-9 sehr klein. Auch mit je einer Ho-163 Konzentration mit einer Aktivität von 1 Bq in jedem MMC Pixel, führt dies ebenfalls nur zu einer sehr kleinen Zählrate in der Größenordnung von 10^-4 Zählungen pro Tag und Pixel, weshalb sich die Beschreibung der Endpunktregion auf eine präzise Kenntnis des erwarteten Ho-163 EC Spektrum sowie des Untergrunds stützen muss.

In dieser Arbeit wird der erwartete Untergrund diskutiert, welcher sich aus kosmischen Myonen und natürlich vorkommenden Radionukliden zusammensetzt. Letztere befinden sich in der nahen Umgebung der Detekorpixel. Dazu wurden mithilfe des GEANT4-Frameworks Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt, um die Energiedeposition in den MMCs zu studieren. Diese Energiedeposition wird durch Myonen und durch myoninduzierte Strahlung verursacht, welche entsteht, wenn Myonen durch Materie durchqueren. Ergebnisse von Screening Messungen von Proben, die in der ersten Phase des ECHo Experiments, ECHo-1k, benutzt wurden, dienen als Grundlage der Simulationen von Radioisotopen in der Materie, die sich in der näheren Umgebung der Detektorpixel befinden.

Die Ergebnisse der Simulationen von radioaktiver Kontamination wird mit einem Untergrundspektrum verglichen, welches mit nicht-implantierten Pixeln aufgenommen wurde. Zudem wird die Simulation von myoninduziertem Untergund mit Daten verglichen, welche in einer Messung mit einem aktiven Myonveto aufgenommen wurden. Das Veto wurde dazu um einen Kryostaten gestellt, welcher benutzt wurde, um die Detektoren zu betreiben.

Die Pulse, die mit den MMCs aufgenommen wurden, wurden einer Pulsformanalyse unterzogen, um Ho-induzierte und vergleichbare Ereignisse, welche durch Teilchen hervorgerufen werden, die in den MMCs absorbiert werden, zu identifizieren, sowie um Ereignisse zu identifizieren, welche durch Myonen generiert wurden.

The aim of the Electron Capture Ho-163 (ECHo) experiment is the determination of the effective electron neutrino mass. This should be achieved by analyzing the Ho-163 electron capture (EC) spectrum recorded by Ho-implanted metallic magnetic calorimeters (MMCs) arranged in a pixelized array. The influence of the neutrino mass on the shape of the Ho-163 EC spectrum is strongest at the endpoint region around Q_EC ~ 2.8 keV. However, the fraction of events in the region of interest (ROI) of 10 eV below Q_EC is only in the order of 10^-9 resulting in low count rates of the order of 10^-4 counts per day and pixel for an activity of 1 Bq of Ho-163 per MMC pixel. Thus, the description of the endpoint region has to rely on the precise knowledge of the expected Ho-163 events and background events. The background in the ROI is aimed to be dominated by unresolved pile-up, which is expected to be in the order of 10^-6 to 10^-5 counts per day and pixel.

In this work, the expected background caused by cosmic muons and natural occurring radionuclides located in the next surrounding of the detector arrays is discussed. For this purpose, Monte Carlo simulations based on the GEANT4 framework are performed to study the energy deposition in the MMCs due to muons and radiation produced by muons propagating through materials surrounding the detector array. Results of screening measurements of materials used in the first stage of the ECHo experiment, ECHo-1k, are used as basis for simulations of radioisotopes in materials close to the detector array.

The results of the simulations of radioactive contamination is compared with a background spectra acquired by non-Ho-implanted pixels, while the simulation of muonic background is compared to data acquired by a measurement including an active muon veto installed around the cryostat used for the operation of the detectors.

A pulse shape analysis of pulses received by the MMCs is used to identify Ho-163 induced and similar events caused by particles stopped in the MMCs, and is used to identify events generated by muons.