NEWAGE 次期地下実験に向け て ディフュージョン ガンマ ラドン まとめ NEWAGE 次期地下実験に向け て ディフュージョン ガンマ ラドン まとめ 中村輝石（京大理） JPS2012 関西学院大学 2012/03/27 NEWAGE 実験 22 谷森達、身内賢太朗、窪秀利 Parker.

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1 NEWAGE 次期地下実験に向け て ディフュージョン ガンマ ラドン まとめ NEWAGE 次期地下実験に向け て ディフュージョン ガンマ ラドン まとめ 中村輝石（京大理） JPS2012 年次大会 @ 関西学院大学 2012/03/27 NEWAGE 実験 22 谷森達、身内賢太朗、窪秀利 Parker Joseph 、水本 哲矢、高田淳史 西村広展、岩城智、澤野達哉 松岡佳大、古村翔太郎、佐藤快

2 暗黒物質の到来方向異方性 ↓ 反跳原子核の飛跡を捉えて暗黒物質検出 原子核 暗黒物質 電子 2) μ-TPC ・・・ Micro Time Projection Chamber 1) μ-PIC ・・・ Micro Pixel Chamberμ-TPC 1) μ-PIC 2) CF 4 ガス cosθ 10 0 20 40 M=80GeV σ=0.1pb [count/3m 3 /year/bin] 予想される cosθ 分布 θ DM Nucleus New general WIMP search with an Advanced Gaseous tracker Experiment

3 方向に感度を持つ制限の更新 Phys.Lett.B686(2010)10 Phys.Lett.B686(2010)10 次は DAMA 領域の探索 σ[pb] 10 2 1 10 4 10 2 10 3 10 mass [GeV/c 2 ] WIMP- 陽子（ SD ）の制限曲 線 使用ガス： CF4 0.2atm

4 低閾値（ 100keV ⇒ 50keV ） 低圧ガス (0.1atm) 原子核の検出効率 60%@50keV （ JPS2011 秋） 角度分解能 40°@50-100keV （ JPS2011 秋） ドリフト長の最適化 ← 今回 ガンマ線の除去能力 ← 今回 低 BG （ 1/10 ） ラドン除去システム（冷却活性炭） ラドンレートの確認 ← 今回 システムの安定性 ← 今回 低放射能なモノ選び 飛跡の前後判定 TOT の測定 大型化 (10 倍 ) 60×60×50cm 3 ×2 次期地下実験で実装予定

5 50cm 0.5cm Drift plane 30cm  -PIC サイズ : 30x30cm ピッチ : 400  m 使用ガス： CF4 0.1atm 65cm 45cm GEM (8 分割 ) サイズ : 32x31cm 厚み : 100  m 穴径 : 70  m ピッチ : 140  m 31cm 32cm

6 ドリフト距離ごとに区切って 角度分解能を測定 40-50cm では前方散乱見えず （ 50cm は長すぎる） 0-30 0-40 0-50 ドリフト距離が長いと ターゲットが増える [ 利 点 ] 角度分解能の悪化 [ 欠点 ] 角度分解能のドリフト距離依存性 前方散乱を確認できず [ 今後 ] 次期地下実験用に 40cm(or 30cm) の TPC ケージを作る 252Cf からの中性子を用いた 原子核反跳の角度分解能を測定

7 0.1atm でのガンマ除去能力を確認： 5×10 -8 @ 50keV （ 2010 の 0.2atm では 8×10 -6 @100keV ） ⇒ガンマ線の除去レベルに問題なし 137Cs 137Cs-run バックグラウンド -run 137Cs から BG を引き算出した 電子の検出効率 99%C.L. のアッパーリミット PRELIMINARY

8 検出領域 (76torr CF 4 ) 循環ポンプ 500ml/min 冷却機 200K 活性炭 160g ・ 螺旋部： 60g ・ 円筒部： 100g Rn U U α 崩壊 Rn 容器の壁 ガス循環＋冷却活性炭 冷却：ラドンの液 化 活性炭：ラドンを 吸着 ① 金属に微量含まれるウラン が崩壊（永年平衡なので一 定） ② 気体なのでガス中に侵入 ③α 崩壊してバックグラウン ドに 20cm

9 ラドンの α 粒子（～ 6MeV ） 3000keV 以上 9cm 以上 ラドンレート： 1/10 以下 活性炭なし 冷却活性炭（ 10ml/min ） 冷却活性炭（ 500ml/min ） ＞ 3000keV ＞ 9cm ガス交換からの日数

10 地下運用には長期安定性 ⇒ヒーターで冷却温度を制 御 ・温度変動：～ 1K ・圧力変動：～ 3torr 200 210 90 8080 7070 温度 [K] 圧力 [torr] 温度制御なし 温度制御あり 1days ヒーター 冷却機 CT-910 50cm μ-PIC のゲインのばらつきから の圧力変動の要請は～ 6torr

11 方向に感度を持つ暗黒物質探索実験 NEWAGE の次期地下実験のために ドリフト長の最適化 @0.1atm 角度分解能が保証される ドリフト長： 40cm ガンマ線 @0.1atm ガンマ線の検出効率： 5×10 -8 OK ラドンのバックグラウンド除去 ガス循環＋冷却活性炭⇒ラドンレート： 1/10 以 下 温度調節⇒温度変動： 1K 、圧力変動： 3torr 今後 神岡地下実験（ 2012 年夏予定） だあくまたんの着色

12 まだだ、まだ終わらんよ

13 ラドンの energy-length 活性炭なし 冷却活性炭 10ml/min 冷却活性炭 500ml/min

14  -TPC は 0.1atm で動いた ゲインカーブ anode (  -PIC 増幅 )  GEM ( GEM 増幅 ) induction ( 透過率 ) anode voltage[V] Drift Plane GEM  -PIC Induction 5mm anode 515V GEM top -500V GEM bottom -280V Drift -3.69kV GEM:-500/-280V gas gain anode:515V GEM bottom :-280V  GEM=GEM top -GEM bottom 2 times gain from 0.2atm ゲインカーブはサチレート（電子の平均自由行程：数  m ） 0.2atm から求まる必要ゲインには達した  GEM voltage[V] gas gain E induction (Induction field)[V/mm] anode:515V  GEM:220V E Induction =GEM bottom /5mm cathode GND

15 低圧ガス（ 152torr -> 76torr ）で飛跡長 : 2 倍 -> 低エネルギー（短い）飛跡に感度 -> 必要ゲイン : 2 倍 current threshold new threshold (plan) σ=1pb, M=100GeV, target:F Expected energy spectrum エネルギー閾値 : 100keV -> 50keV -> 感度 : 約 10 倍

16 Distribution of cosθ(400-800keV) Blue:measured Green:simulation(σ=49°) θ 252 Cf neutron nuclear Simulated distribution of cosθ (400-800keV) χ 2 -values for each angle minimum 測定した cosθ 分布をシミュレーションと 比較 （シミュレーションは角度分解能ごとに生 成） F-nucleus tracks 252 Cf

17 エネルギーごとの角度分解能 新たに 50-100keV の領域の角度分解能を求めた : 40[deg] angular resolution Blue : This work (0.1atm) Red : Previous (0.2atm)

18 測定したエネルギースペクト ルとシミュレーションを比較 検出効率 : 0.6@50keV エネルギー閾値 : 100 -> 50keV angular resolution detection efficiency current threshold new threshold (plan) σ=1pb, M=100GeV, target:F Expected energy spectrum

19 Rotation of stars in the galaxy is too fast ⇒ DM at galaxy Different distribution Mass to Baryon ⇒ DM at cluster of galaxy Observation of cosmological parameters ⇒ DM at cosmological scale ⇒ Non baryonic mass "Dark Matter" exist at various scale Rotation curve Cluster of Galaxy energy fraction of space Distance from GC[pc] MNRAS 249 (1991) 523 APJ 684 (2006) L109 WMAP/NASA Rotation velocity of stars [km/s] 0302010 0 100 200 DM baryon gas observed

20 DM candidates WIMP axion sterile neutrino Q-ball...etc Weakly Interacting Massive Particle SUSY particle can be WIMP Feynman diagram nuclear recoil by WIMP

21 cases Detect only partial energy of  -ray Radon emit  -ray between  -PIC and GEM

22 55.6sec3.824day

23 NEWAGE2014 (BG×1/10 ・ 0.1m 3 年） NEWAGE 2019 (BG×1/100 ・ 1m 3 年）

24 方向に感度を持つ暗黒物質探索実験 NEWAGE において 低圧試験 (152torr ⇒ 76torr) ガスゲイン 0.1atm のもと、十分なガスゲインで動作 角度分解能 40 ° +3.1 -2.9 @50-100keV 検出効率 0.6@50keV エネルギー閾値 : 100 -> 50keV 今後 GEM を厚くし、ゲインと検出効率の更なる増加を試 みる 神岡の検出器に低圧ガスを適用 NEWAGEイメージキャラクター "だあくまたん" Thank you for your attention!

25 Radiate thermal neutron to 10B plate in TPC 10B+n->7Li+4He + 2.78MeV 96% of 7Li become excitation state (0.48MeV) 4He energy : 1.46MeV Energy spectrum Red : Measured Blue : Simulation

26 mean free path : several  m number density : 6*10E23/22.4/1E6 [/cm3]@1atm cross section : 1E-19

27 200-400keV100-200keV50-100keV Blue:measured Green:simulation(  =44°) Blue:measured Green:simulation(  =47°) Blue:measured Green:simulation(  =37°)

28 Detection efficiency : ratio of measured to simulation 0.6 @50keV u-TPC 252 Cf neutron 0.1atm0.2atm

29 pressure aim angular resolution aim

30 Drift Plane GEM  -PIC Induction 5mm anode 515V cathode GND GEM top -500V GEM bottom -280V Drift -3.69kV gas gain