Abstract

The International Axion Observatory (IAXO) is designed to search for solar axions through magnetic conversion into X-rays. We developed simulation and background-reduction methods for its Micromegas detectors and BabyIAXO, the intermediate stage of IAXO.

We extended the REST-for-Physics and restG4 software packages to model radiation transport and detector response, including microscopic ionization, electron drift, amplification, and charge collection with Heed/Garfield++. We evaluated cosmic, environmental, and intrinsic background sources for the IAXO-D1 Micromegas prototype in argon–isobutane. Disagreements between simulated and measured observables and selection acceptance limit the use of simulation-trained classifiers on data; further response validation is required. Absolute rates require source activities and incident particle fluxes.

To reject high-energy neutrons and their showers in lead, we studied a plastic-scintillator–cadmium veto combining prompt activity with delayed capture signals. The simulations favor three layers under the assumed source and detector response. Neutron-induced activation is evaluated separately, without applying prompt-veto rejection to delayed decays.

In $52.1\mathrm{d}$ of surface data from the IAXO-D0 Micromegas prototype, the veto reduces the background in the $2\text{–}7\text{keV}$ interval to $({8.56}_{-1.91}^{+2.30})\times {10}^{-7}$ $\text{counts}{\text{keV}}^{-1}{\text{cm}}^{-2}{\mathrm{s}}^{-1}$ at 90% confidence, retaining 97.0% of the Micromegas-selected calibration sample. Additional rejection beyond the prompt veto is observed without identifying individual events as neutrons. Predicting the BabyIAXO background also requires its xenon–neon response, optics, final geometry, and radiation fluxes and material activities at DESY.

Resumen

El International Axion Observatory (IAXO) está diseñado para buscar axiones solares mediante su conversión magnética en rayos X. Desarrollamos métodos de simulación y reducción de fondo para sus detectores Micromegas y para BabyIAXO, la etapa intermedia de IAXO.

Ampliamos los paquetes de software REST-for-Physics y restG4 para simular el transporte de radiación y la respuesta del detector, incluyendo ionización microscópica, deriva, amplificación y colección de carga con Heed/Garfield++. Evaluamos fuentes de fondo cósmicas, ambientales e intrínsecas para el prototipo Micromegas IAXO-D1 con argón–isobutano. Las discrepancias entre los observables simulados y medidos y la aceptación de la selección limitan el uso de clasificadores entrenados con simulación en datos; todavía se requiere validar la respuesta. Las tasas absolutas requieren actividades de las fuentes y flujos de partículas incidentes.

Para rechazar neutrones de alta energía y sus cascadas en el plomo, estudiamos un veto de centelleador plástico y cadmio que combina actividad rápida con señales retardadas de captura. Las simulaciones favorecen tres capas bajo los supuestos de fuente y respuesta del detector. La activación neutrónica se evalúa por separado, sin aplicar el rechazo del veto rápido a las desintegraciones retardadas.

En $52.1\mathrm{d}$ de datos en superficie del prototipo Micromegas IAXO-D0, el veto reduce el fondo en el intervalo de $2\text{–}7\text{keV}$ a $({8.56}_{-1.91}^{+2.30})\times {10}^{-7}$ $\text{counts}{\text{keV}}^{-1}{\text{cm}}^{-2}{\mathrm{s}}^{-1}$ al 90% de confianza, conservando el 97.0% de la muestra de calibración seleccionada por Micromegas. Se observa rechazo adicional respecto al veto rápido, sin identificar los sucesos individuales como neutrones. Predecir el fondo de BabyIAXO también requiere su respuesta en xenón–neón, óptica, geometría final y los flujos de radiación y actividades de los materiales en DESY.