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Angloher G, Banik S, Benato G, Bento A, Bertolini A, Breier R, Bucci C, Burkhart J, Canonica L, D'Addabbo A, Di Lorenzo S, Einfalt L, Erb A, Feilitzsch FV, Ferreiro Iachellini N, Fichtinger S, Fuchs D, Fuss A, Garai A, Ghete VM, Gorla P, Gupta S, Hauff D, Ješkovský M, Jochum J, Kaznacheeva M, Kinast A, Kluck H, Kraus H, Langenkämper A, Mancuso M, Marini L, Mokina V, Nilima A, Olmi M, Ortmann T, Pagliarone C, Pattavina L, Petricca F, Potzel W, Povinec P, Pröbst F, Pucci F, Reindl F, Rothe J, Schäffner K, Schieck J, Schmiedmayer D, Schönert S, Schwertner C, Stahlberg M, Stodolsky L, Strandhagen C, Strauss R, Usherov I, Wagner F, Willers M, Zema V, Ferella F, Laubenstein M, Nisi S. Secular equilibrium assessment in a CaWO 4 target crystal from the dark matter experiment CRESST using Bayesian likelihood normalisation. Appl Radiat Isot 2023; 194:110670. [PMID: 36696751 DOI: 10.1016/j.apradiso.2023.110670] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/31/2022] [Revised: 11/06/2022] [Accepted: 01/13/2023] [Indexed: 01/22/2023]
Abstract
CRESST is a leading direct detection sub-GeVc-2 dark matter experiment. During its second phase, cryogenic bolometers were used to detect nuclear recoils off the CaWO4 target crystal nuclei. The previously established electromagnetic background model relies on Secular Equilibrium (SE) assumptions. In this work, a validation of SE is attempted by comparing two likelihood-based normalisation results using a recently developed spectral template normalisation method based on Bayesian likelihood. Albeit we find deviations from SE in some cases we conclude that these deviations are artefacts of the fit and that the assumptions of SE is physically meaningful.
Collapse
Affiliation(s)
- G Angloher
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - S Banik
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria
| | - G Benato
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
| | - A Bento
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany; LIBPhys-UC, Departamento de Fisica, Universidade de Coimbra, P3004 516, Coimbra, Portugal
| | - A Bertolini
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - R Breier
- Comenius University, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, 84248, Bratislava, Slovakia
| | - C Bucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
| | - J Burkhart
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria.
| | - L Canonica
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - A D'Addabbo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
| | - S Di Lorenzo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
| | - L Einfalt
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria
| | - A Erb
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany; Walther-Meißner-Institut für Tieftemperaturforschung, D-85748, Garching, Germany
| | - F V Feilitzsch
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - N Ferreiro Iachellini
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany; Excellence Cluster Origins, D-85748, Garching, Germany
| | - S Fichtinger
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria
| | - D Fuchs
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - A Fuss
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria
| | - A Garai
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - V M Ghete
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria
| | - P Gorla
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
| | - S Gupta
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria
| | - D Hauff
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - M Ješkovský
- Comenius University, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, 84248, Bratislava, Slovakia
| | - J Jochum
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076, Tübingen, Germany
| | - M Kaznacheeva
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - A Kinast
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - H Kluck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria
| | - H Kraus
- Department of Physics, University of Oxford, OX1 3RH, Oxford, United Kingdom
| | - A Langenkämper
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - M Mancuso
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - L Marini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy; GSSI-Gran Sasso Science Institute, I-67100, L'Aquila, Italy
| | - V Mokina
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria
| | - A Nilima
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - M Olmi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
| | - T Ortmann
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - C Pagliarone
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy; Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Universitä degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, I-03043, Cassino, Italy
| | - L Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy; Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - F Petricca
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - W Potzel
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - P Povinec
- Comenius University, Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, 84248, Bratislava, Slovakia
| | - F Pröbst
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - F Pucci
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - F Reindl
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria
| | - J Rothe
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - K Schäffner
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - J Schieck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria
| | - D Schmiedmayer
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria
| | - S Schönert
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - C Schwertner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria; Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020, Wien, Austria
| | - M Stahlberg
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - L Stodolsky
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | - C Strandhagen
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076, Tübingen, Germany
| | - R Strauss
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - I Usherov
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076, Tübingen, Germany
| | - F Wagner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050, Wien, Austria
| | - M Willers
- Physik-Department and ORIGINS Excellence Cluster, Technische Universität München, D-85747, Garching, Germany
| | - V Zema
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805, München, Germany
| | | | - F Ferella
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy; Department of Physical and Chemical Sciences, University of l'Aquila, via Vetoio (COPPITO 1-2), I-67100, L'Aquila, Italy
| | - M Laubenstein
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
| | - S Nisi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100, Assergi, Italy
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Collapse
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2
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Angloher G, Banik S, Bartolot D, Benato G, Bento A, Bertolini A, Breier R, Bucci C, Burkhart J, Canonica L, D’Addabbo A, Di Lorenzo S, Einfalt L, Erb A, Feilitzsch FV, Iachellini NF, Fichtinger S, Fuchs D, Fuss A, Garai A, Ghete VM, Gerster S, Gorla P, Guillaumon PV, Gupta S, Hauff D, Ješkovský M, Jochum J, Kaznacheeva M, Kinast A, Kluck H, Kraus H, Lackner M, Langenkämper A, Mancuso M, Marini L, Meyer L, Mokina V, Nilima A, Olmi M, Ortmann T, Pagliarone C, Pattavina L, Petricca F, Potzel W, Povinec P, Pröbst F, Pucci F, Reindl F, Rizvanovic D, Rothe J, Schäffner K, Schieck J, Schmiedmayer D, Schönert S, Schwertner C, Stahlberg M, Stodolsky L, Strandhagen C, Strauss R, Usherov I, Wagner F, Willers M, Zema V, Waltenberger W. Towards an automated data cleaning with deep learning in CRESST. Eur Phys J Plus 2023; 138:100. [PMID: 36741916 PMCID: PMC9886615 DOI: 10.1140/epjp/s13360-023-03674-2] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 11/01/2022] [Accepted: 01/02/2023] [Indexed: 06/18/2023]
Abstract
The CRESST experiment employs cryogenic calorimeters for the sensitive measurement of nuclear recoils induced by dark matter particles. The recorded signals need to undergo a careful cleaning process to avoid wrongly reconstructed recoil energies caused by pile-up and read-out artefacts. We frame this process as a time series classification task and propose to automate it with neural networks. With a data set of over one million labeled records from 68 detectors, recorded between 2013 and 2019 by CRESST, we test the capability of four commonly used neural network architectures to learn the data cleaning task. Our best performing model achieves a balanced accuracy of 0.932 on our test set. We show on an exemplary detector that about half of the wrongly predicted events are in fact wrongly labeled events, and a large share of the remaining ones have a context-dependent ground truth. We furthermore evaluate the recall and selectivity of our classifiers with simulated data. The results confirm that the trained classifiers are well suited for the data cleaning task.
Collapse
Affiliation(s)
- G. Angloher
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - S. Banik
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020 Wien, Austria
| | - D. Bartolot
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - G. Benato
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - A. Bento
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
- LIBPhys-UC, Departamento de Fisica, Universidade de Coimbra, P3004 516 Coimbra, Portugal
| | - A. Bertolini
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - R. Breier
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University, 84248 Bratislava, Slovakia
| | - C. Bucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - J. Burkhart
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - L. Canonica
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - A. D’Addabbo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - S. Di Lorenzo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - L. Einfalt
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020 Wien, Austria
| | - A. Erb
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
- Walther-Meißner-Institut für Tieftemperaturforschung, D-85748 Garching, Germany
| | - F. v. Feilitzsch
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | | | - S. Fichtinger
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - D. Fuchs
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - A. Fuss
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020 Wien, Austria
| | - A. Garai
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - V. M. Ghete
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - S. Gerster
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076 Tübingen, Germany
| | - P. Gorla
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - P. V. Guillaumon
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - S. Gupta
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - D. Hauff
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - M. Ješkovský
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University, 84248 Bratislava, Slovakia
| | - J. Jochum
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076 Tübingen, Germany
| | - M. Kaznacheeva
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - A. Kinast
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - H. Kluck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - H. Kraus
- Department of Physics, University of Oxford, Oxford, OX1 3RH UK
| | - M. Lackner
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - A. Langenkämper
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - M. Mancuso
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - L. Marini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
- GSSI-Gran Sasso Science Institute, I-67100 L’Aquila, Italy
| | - L. Meyer
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076 Tübingen, Germany
| | - V. Mokina
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - A. Nilima
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - M. Olmi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - T. Ortmann
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - C. Pagliarone
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Universitá degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, I-03043 Cassino, Italy
| | - L. Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - F. Petricca
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - W. Potzel
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - P. Povinec
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University, 84248 Bratislava, Slovakia
| | - F. Pröbst
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - F. Pucci
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - F. Reindl
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020 Wien, Austria
| | - D. Rizvanovic
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - J. Rothe
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - K. Schäffner
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - J. Schieck
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020 Wien, Austria
| | - D. Schmiedmayer
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020 Wien, Austria
| | - S. Schönert
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - C. Schwertner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technische Universität Wien, A-1020 Wien, Austria
| | - M. Stahlberg
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - L. Stodolsky
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - C. Strandhagen
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076 Tübingen, Germany
| | - R. Strauss
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - I. Usherov
- Eberhard-Karls-Universität Tübingen, D-72076 Tübingen, Germany
| | - F. Wagner
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
| | - M. Willers
- Physik-Department, Technische Universität München, D-85747 Garching, Germany
| | - V. Zema
- Max-Planck-Institut für Physik, D-80805 München, Germany
| | - W. Waltenberger
- Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, A-1050 Wien, Austria
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