European Physical Journal C: Particles and Fields (Sep 2024)
A likelihood framework for cryogenic scintillating calorimeters used in the CRESST dark matter search
- CRESST Collaboration,
- G. Angloher,
- S. Banik,
- G. Benato,
- A. Bento,
- A. Bertolini,
- R. Breier,
- C. Bucci,
- J. Burkhart,
- L. Canonica,
- A. D’Addabbo,
- S. Di Lorenzo,
- L. Einfalt,
- A. Erb,
- F. v. Feilitzsch,
- S. Fichtinger,
- D. Fuchs,
- A. Garai,
- V. M. Ghete,
- P. Gorla,
- P. V. Guillaumon,
- S. Gupta,
- D. Hauff,
- M. Ješkovský,
- J. Jochum,
- M. Kaznacheeva,
- A. Kinast,
- H. Kluck,
- H. Kraus,
- S. Kuckuk,
- A. Langenkämper,
- M. Mancuso,
- L. Marini,
- B. Mauri,
- L. Meyer,
- V. Mokina,
- M. Olmi,
- T. Ortmann,
- C. Pagliarone,
- L. Pattavina,
- F. Petricca,
- W. Potzel,
- P. Povinec,
- F. Pröbst,
- F. Pucci,
- F. Reindl,
- J. Rothe,
- K. Schäffner,
- J. Schieck,
- D. Schmiedmayer,
- S. Schönert,
- C. Schwertner,
- M. Stahlberg,
- L. Stodolsky,
- C. Strandhagen,
- R. Strauss,
- I. Usherov,
- F. Wagner,
- V. Wagner,
- V. Zema
Affiliations
- CRESST Collaboration
- G. Angloher
- Max-Planck-Institut für Physik
- S. Banik
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- G. Benato
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- A. Bento
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. Bertolini
- Max-Planck-Institut für Physik
- R. Breier
- Comenius University, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics
- C. Bucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- J. Burkhart
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- L. Canonica
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. D’Addabbo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- S. Di Lorenzo
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Einfalt
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- A. Erb
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- F. v. Feilitzsch
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- S. Fichtinger
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- D. Fuchs
- Max-Planck-Institut für Physik
- A. Garai
- Max-Planck-Institut für Physik
- V. M. Ghete
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- P. Gorla
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- P. V. Guillaumon
- Max-Planck-Institut für Physik
- S. Gupta
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- D. Hauff
- Max-Planck-Institut für Physik
- M. Ješkovský
- Comenius University, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics
- J. Jochum
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- M. Kaznacheeva
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- A. Kinast
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- H. Kluck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- H. Kraus
- Department of Physics, University of Oxford
- S. Kuckuk
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- A. Langenkämper
- Max-Planck-Institut für Physik
- M. Mancuso
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Marini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- B. Mauri
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Meyer
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- V. Mokina
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- M. Olmi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- T. Ortmann
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- C. Pagliarone
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- L. Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso
- F. Petricca
- Max-Planck-Institut für Physik
- W. Potzel
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- P. Povinec
- Comenius University, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics
- F. Pröbst
- Max-Planck-Institut für Physik
- F. Pucci
- Max-Planck-Institut für Physik
- F. Reindl
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- J. Rothe
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- K. Schäffner
- Max-Planck-Institut für Physik
- J. Schieck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- D. Schmiedmayer
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- S. Schönert
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- C. Schwertner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- M. Stahlberg
- Max-Planck-Institut für Physik
- L. Stodolsky
- Max-Planck-Institut für Physik
- C. Strandhagen
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- R. Strauss
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- I. Usherov
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen
- F. Wagner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
- V. Wagner
- Physik-Department, TUM School of Natural Sciences, Technische Universität München
- V. Zema
- Max-Planck-Institut für Physik
- DOI
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-024-13141-6
- Journal volume & issue
-
Vol. 84,
no. 9
pp. 1 – 18
Abstract
Abstract Cryogenic scintillating calorimeters are ultra- sensitive particle detectors for rare event searches, particularly for the search for dark matter and the measurement of neutrino properties. These detectors are made from scintillating target crystals generating two signals for each particle interaction. The phonon (heat) signal precisely measures the deposited energy independent of the type of interacting particle. The scintillation light signal yields particle discrimination on an event-by-event basis. This paper presents a likelihood framework modeling backgrounds and a potential dark matter signal in the two-dimensional plane spanned by phonon and scintillation light energies. We apply the framework to data from CaWO $$_4$$ 4 -based detectors operated in the CRESST dark matter search. For the first time, a single likelihood framework is used in CRESST to model the data and extract results on dark matter in one step by using a profile likelihood ratio test. Our framework simultaneously fits (neutron) calibration data and physics (background) data and allows combining data from multiple detectors. Although tailored to CaWO $$_4$$ 4 -targets and the CRESST experiment, the framework can easily be expanded to other materials and experiments using scintillating cryogenic calorimeters for dark matter search and neutrino physics.