PERANCANGAN MUON DETEKTOR BERBASIS PLASTIK SINTILATOR UNTUK EKSPERIMEN COSINE-100 MATERI GELAP - Prihtiadi, Hafizh
Sejumlah pengamatan astronomi menunjukkan bahwa penyusun materi di Semesta didominasi oleh materi gelap non-baryonic. Namun, pencarian materi gelap telah menjadi salah satu topik penelitian paling menantang dalam fisika. Weakly Interacting Massive Particle (WIMPs) telah menjadi kandidat materi gelap yang menjanjikan, didukung oleh banyak pertimbangan dari para astronom dan prediksi teoritis. Banyak eksperimen berusaha mengungkap misteri dari materi gelap dengan berupaya mengoperasikan pencarian langsung materi gelap dengan berbagai teknik dan teknologi deteksi. Tapi hal yang luar biasa, kelompok DAMA melaporkan lebih dari 20 tahun sinyal modulasi tahunan (annual modulation effect) yang teramati oleh detektor mereka menggunakan bahan target NaI(Tl) Sodium Iodide seperti yang diharapkan dari kandidat materi gelap bernama weakly interacting massive particle (WIMP). Namun, tidak ada percobaan lain yang dapat membuktikan sinyal dengan batas sensitivitas yang ditetapkan tidak sesuai dengan hasil DAMA. Eksperimen sejenis mutlak diperlukan dengan detektor bahan target yang sama untuk menyelesaikan kedua hasil tanpa konflik. COSINE-100 adalah eksperimen bersama oleh KIMS-NaI (Korea Invisible Mass Search) dan DM-Ice dengan tujuan untuk mereproduksi atau menyangkal adanya modulasi tahunan yang dilaporkan oleh kelompok DAMA menggunakan kristal Sodium Iodide. COSINE-100 eksperimen beroperasi dan berlokasi di Yangyang Underground Laboratory (Y2L) di Korea Selatan. Proses konstruksi dan perakitan selesai pada musim panas 2016 dan detektor saat ini sedang mengumpulkan data fisika. Selama operasi, beberapa hal yang perlu dipertimbangkan diantaranya adalah tingkat background dari sinar kosmik. Dalam pencarian materi gelap, muon sinar kosmik dapat menghasilkan modulasi tahunan yang dapat meniru sinyal seperti partikel masif (WIMP) yang berinteraksi lemah dalam rekoil nuklir. Untuk menandai kejadian muon dan mempelajari korelasi antara muon dan crystal-event, COSINE- 100 telah memasang detektor muon dalam struktur pelindung luar. Susunan panel plastik sintilator setebal 3 cm mengelilingi detektor di semua sisi. Penelitian ini berfokus pada proses desain, konstruksi, dan perakitan, analisis data detektor COSINE-100, dengan penekanan khusus pada modulasi muon. Muon dapat diidentifikasi oleh kriteria seleksi, dikembangkan dengan coincidence technique dan perbedaan waktu antara dua panel. Sebuah coincidence technique dan ambang batas (threshold) digunakan untuk mengurangi gamma-backgrounds pada energi rendah dan dapat menunjukkan sinyal muon pada wilayah energi tinggi. Ambang batas yang berbeda diterapkan untuk setiap sisi detektor. Sebuah timing cut telah dikembangkan untuk mengurangi adanya fake-events pada daerah sinyal. Muon harus berada dalam jeda waktu yang dekat. Korelasi waktu diamati untuk mencari kandidat muon, daerah sinyal -100ns < DT < 115ns. Mempertimbangkan distribusi backgrounds, kontaminasi dari backgrounds di wilayah ambang batas sinyal dihitung 0.3 %. Selain itu, efisiensi seleksi muon dihitung sebesar 99.9 ± 0.1 % ketika ambang batas diterapkan. Teknik pemilihan muon yang serupa diterapkan untuk semua panel dari sisi yang berbeda untuk menandai kandidat muon. Muon-events pada kristal detektor dengan energi deposisi > 4MeV. Muon juga dapat menginduksi low energy phosphorescence event pada kristal yang dapat meniru bentuk dari sinyal WIMP. Sebuah teknik seleksi event pada studi kristal telah digunakan dengan meniadakan 30ms dari sinyal muon pertama pada plastik sintilator. Hal ini memberikan efek dengan perkiraan 0.1 % deadtime pada detektor. Teknik ini digunakan untuk menghindari jumlah besar dari accidental events. Dengan 2 tahun dari data, muon menunjukkan perilaku modulasi tahunan dengan amplitudo sebesra (0.51 ± 0.24) % dan sebuah fase (182 ± 25) d sesuai dengan maksimum pada 30 Juni. Dengan menggunakan data atmosfer temperature, kami melakukan studi korelasi antara modulasi muon dan temperatur yang menunjukkan positif korelasi. Dengan nilai koefisien efektif alpha_{T} = 0.815 ± 0.097. Hasil ini menunjukkan studi modulasi muon dan temperature padaY2L dan menunjukkan hasil sesuai prediksi teoritis dan ekspektasi.