到来方向に感度を持つ 暗黒物質 の直接探索実験 NEWAGE における感度上昇のための バックグラウンド低減及びエネルギー閾値低下の研究

到来方向に感度を持つ暗黒物質の直接探索実験NEWAGE における感度上昇のための

バックグラウンド低減及びエネルギー閾値低下の研究

• 暗黒物質• 探索実験 NEWAGE• バックグラウンド低減• エネルギー閾値低下• まとめ

宇宙線研究室　中村 輝石

平成 22 年度京都大学理学研究科修士論文発表会　 2011/02/04

だあくまたん

　暗黒物質• 銀河の星の回転速度が外周部で落ちず

⇒ 銀河スケールに暗黒物質

• 銀河団衝突領域で、重力ポテンシャルの位置がバリオンの分布と異なる

⇒ 銀河団スケールに暗黒物質

• 宇宙論パラメータの測定（ CMB など）から、バリオンの約 5 倍の暗黒物質

⇒ 宇宙論スケールに暗黒物質

⇒ 非バリオンな " 暗黒物質 "

銀河の回転曲線

銀河団衝突領域

宇宙のエネルギー組成

銀河の中心からの距離 [pc]

星の

回転

速度

[km

/s]

　暗黒物質の候補粒子「 WIMP 」• 反応率が小さい• 安定• 質量を持つ（ 10 ～1000GeV ）

⇒WIMP （ LSP, LKP, LTP, etc... ）

• （他の暗黒物質の候補もある）• アクシオン• Q- ボール• ステラエルニュートリノ• ...etc

Weakly Interacting Massive Particle

ニュートラリーノと原子核の弾性散乱のファインマン図

MSSM で追加される粒子

最も軽い粒子がニュートラリーノの場合、暗黒物質に成り得る

　暗黒物質の直接探索方法

• 季節変化（従来）大量の標的 ⇒ 固体検出器

• 暗黒物質の " 風向き "飛跡を捉える ⇒ ガス検出器（※）

計数率の季節変化は数 % 程度

到来方向異方性には大きな前後非対称性あり

予想される散乱角 θ の余弦分布

（※）名大 NIT グループはエマルジョンを用いた飛跡検出型探索実験の R&D をしている

σSD=1pbM=100GeVtarget:F

θ

cygnus

WIMP

原子核

　　　 6月　　　 12月

予想されるエネルギースペクトル

　 NEWAGE• μ-TPC ：反跳原子核の三次元飛跡を捉える• NEWAGE の神岡地下での先行研究（ nishimura09 （※））から制限曲線

原子核

WIMP

電子

2)μ-TPC 　・・・　 Micro Time Projection Chamber1)μ-PIC 　・・・　 Micro Pixel Chamber

μ-TPC1)

μ-PIC2)

CF4 ガス

New general WIMP search with an Advanced Gaseous tracker Experiment

SD 反応の散乱断面積への制限（ 90%C.L. ）

（※）当研究室 OB

(pitch:400μm)

先行研究による制限曲線

　 NEWAGE の次の目標• 他の実験に棄却されているものの、ポジティブリザルトを主張する DAMA の領域の探索 （現行の約 1000 倍の感度で到達）

• バックグラウンド： 1/10 （感度 10 倍）⇒ ラドン除去システム

• エネルギー閾値： 1/2 （感度 10 倍）⇒ 低圧力での運用

• 大型化 ⇒ 1m3 サイズを数台

　　 ( 現行は 30cm3)

SD 反応の散乱断面積への予想される制限（ 90%C.L. ）

ラド ン、除去

検出領域(76torr CF4)

　ラドン発生機構容器の壁

Rn

U

α崩壊（約 6MeV ）

Rn

• 検出器に微量含まれる放射性不純物からラドン発生• 気体 ⇒ 検出領域に侵入• α 崩壊 ⇒ バックグラウンド

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s

1days

ガス交換から 1 日目

19days

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s

19 日目

エネルギースペクトルの時間変化

検出領域(76torr CF4)

　ラドン除去システム

循環ポンプ600ml/min

冷却機183K

活性炭 160g　　・ 螺旋部： 60g　　・ 円筒部： 100g

Rn

U

α崩壊

Rn

• ガス循環し、冷却活性炭を通す• 冷却（ 183K ）：ラドンを液

化• 活性炭：ラドンを吸着

ラドンの沸点： 211KCF4 の沸点： 145K

12cm20

cm

容器の壁

循環ポンプ600ml/min

検出領域(76torr CF4)

冷却機183K

活性炭 160g　　・ 螺旋部： 60g　　・ 円筒部： 100g

　ラドン量の計算

Rn

U

α崩壊

Rn

ガス交換後からの日数

ラドンの時間変化

ラド

ンの

量

（循環なしのときの一定値を 1 に規格化）

• F: 流量、 P: 吸着率、 VTPC:体積• 吸着率 =1 を仮定 　⇒ 流量 150ml/min で 1/10に

容器の壁

循環なし

60ml/min

150ml/min

30ml/min

　ラドン除去システムの結果• ガス交換後 20 日でのラドン： 1/4

• 流量 2.5 倍以上のポンプで1/10 になると予想される

ラドンの時間変化

冷却活性炭あり冷却活性炭なし

エネルギースペクトルの時間変化

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s1days

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s

1days

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s

5days

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s

5days

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s

19days

keV

10

3000 　　　　 5000 　　　 700002468

12

coun

t/ke

V/kg

/day

s

19days

ラドン除去システムなし

ラドン除去システムあり

低圧、運用

　低圧動作の効用• ガス圧低減（ 152torr → 76torr ）• 飛跡長が約 2 倍に

• 低エネルギー（飛跡が短い）事象に感度• 暗黒物質に対する感度上昇（約 10倍）

current threshold

new threshold

σ=1pb, M=100GeV, target:F予想されるエネルギースペクトル

圧力ごとの飛跡長（ SRIM ）

• 確認すべきもの

• 検出効率（低エネルギーな原子核反跳）

• 角度分解能（方向性）

長

短

　検出効率• 原子核反跳事象の検出効率：

シミュレーションと測定データ (nhit>3) の比

• 100keV@152torr の検出効率と同等の検出効率を持つエネルギーが 70keV@76torr に低下

赤： 76torr青： 152torr

原子核反跳事象の検出効率

• 半分の 50keV に達さなかったのは、ガスゲイン不足• 飛跡長： 2 倍⇒長さ当たりの電子

数： 1/2 ⇒ 必要ゲイン 2 倍• 使用したゲイン： 1.5 倍

（ =1260/860 ）

• 1 を超過しているのは、シミュレーションの不定性

検出器

252Cfneutron

　角度分解能• 測定データとシミュレーションを比較　（シミュレーションは角度分解能ごとに作成）

• 角度分解能： 50+7-2 度（ 100-200keV ）

　（先行研究： 55 度 @152torr ）　⇒これまでと同等の分解能。ゲインの確保により向上が見込まれる

• 100keV 以下：要アルゴリズムの改良中性子による原子核散乱の余弦分布（ 100-200keV ）

青：測定データ緑：シミュレーション（ σ=50° ）

シミュレーションによる余弦分布

（ 100-200keV 、角度分解能ごと）

カウ

ント

（相

対値

）

カウ

ント

数

θ

252Cf

中性子

原子核

低圧力運用（ 152torr 76torr⇒ ）• エネルギー閾値（検出効率から）

100keV 70keV⇒• 角度分解能

50°@100-200keV展望・・・・ ゲイン UP ・ 方向決定アルゴリズム改良

　⇒ エネルギー閾値を 50keV に

　結論方向に感度を持つ暗黒物質探索実験 NEWAGE において

ラドン除去システムの製作・運用• ラドン量： 1/4展望・・・・ 流量 2.5 倍 UP ⇒1/10

イメージキャラクター「だあくまたん」

あ り が とうござい ました

まだだ、まだ終わらんよ

• 活性炭のラドン吸着の限界は？

• 相互作用は？（エネルギー依存性）

• 圧力半分で標的は半分だよね？