First Results from the XENON10 Dark Matter Search at Gran Sasso

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1 First Results from the XENON10 Dark Matter Search at Gran Sasso
Colloquium 22.May 2007 高エネルギー研究室 M2 五味 慎一

2 Abstract XENON10は、直接的なDark Matterの観測実験である。
液相/気相の、2相についてのXeをターゲットとして用い、WIMP(= Weakly Interacting Massive Particle)の観測を目指す。

3 Introduction

4 XENON10 Dark Matter の理解 宇宙物理での重大なチャレンジ XENON10
質量を持った、Cold Dark Matterの探索 Dark Matter の理解 宇宙物理での重大なチャレンジ ・ 大スケール構造 近年の宇宙の観測結果 ・ 高赤方偏移スーパーノヴァ ・ 宇宙のマイクロ波バックグラウンドの異方性 宇宙の、Concordance Model と呼ばれる構造

5 WIMP ( = Weakly Interactive Massive Particle)
相互作用が弱い、質量を持った新粒子 WIMP ・・・ ごく初期の超高温・高圧の宇宙では、クォーク・レプトンと平衡状態にあり、宇宙が非相対論的な環境に落ち着いた時に分離した。 Dark Matter の候補 もし WIMP が Dark Matter なら、銀河系ハロにおけるWIMPを実験室で観測することができるはずである。

6 WIMPが原子核と弾性散乱することによる、原子核の反跳を観測することで、WIMP-原子核散乱断面積を求める
WIMP質量＝10GeV~10TeV 地球上で観測できる原子核の反跳エネルギーは~100keV以下程度

7 過去の実験データ 赤・・・Edelweiss 桃・・・WARP 緑・・・Zeplin-Ⅱ 青・・・CDMS-Ⅱ SUSY model

8 Set Up of XENON10 Experiment

9 Gran Sasso 実験施設 XENON10

10 検出器としての各希ガスの性能表一覧 液体になった希ガスは、シンチレーション光・イオン化による電子シグナル、の両方を出す。

11 なぜ希ガスを使うのか？ 原子核・電子の反跳の区別が容易い 高いシンチレーション発光 密度が高いことによる、再構築の容易さと振る舞いの良さ
シンチレーション光の時間幅 イオン化・シンチレーション比 高いシンチレーション発光 低いエネルギーのthresholdをかけれる。 密度が高いことによる、再構築の容易さと振る舞いの良さ Self Shielding が可能。 位置分解能が非常に高い Dark MatterのCross sectionについて、σ~10-46cm2 =1event/100kg/year( Ge, or Xe )のレベルの精度まで見ることが出来る。 コストが低く、多量に用意することが容易い

12 Mechanism & Experiments
液体Xe、気体Xeの両方を用いた、”Double Phase” Single Phase シンチレーション光のみ Double Phase シンチレーション光 + イオン化電子シグナル 電場によって電子をドリフトさせる(kV/cm)

13 WIMPのXe原子核による散乱による反跳エネルギーの観測から、Dark Matterの探索を行う
The XEXNON10 Detector WIMPのXe原子核による散乱による反跳エネルギーの観測から、Dark Matterの探索を行う 直径20cm×高さ15cm 15kgの液体Xe HPK製PMT、R AL　×89個 1インチ角の四角形PMTで、高さは35mm。 天井部に48PMT、底部に41PMT (液体Xeに浸る) 気体Xe = ガスプロポーショナルシンチレーション 液体Xe = シンチレーション

14 The XENON10 Detector

15 XENON10 Event Discrimination
2種類のシグナル S1・・・液体Xeでのシンチレーション光 S2・・・気体Xeでの、2次的な引き出され加速された電子によるシンチレーション光

16 XENON10 Event Discrimination
実際に測定されたデータを見てみる。 S1は同程度 S2は大きく異なる この比の違いを用いて、ER event ( = Back Ground )をNR eventから取り除くことを考える。

17 6ヶ月という長い実験期間において非常に安定している
実験環境 Xeの冷却  パルスチューブ冷却装置で冷却 Xeの純度  残留ガスの吸着装置内を循環 6ヶ月という長い実験期間において非常に安定している

18 XENON10 Live Time 今回はこの79日分に相当するWIMP探索の結果について報告を行う。

19 XENON10 events Multiple Scatter

20 XENON10 events Events Below Cathode “ Fake WIMPs “

21 Calibration Method & Blind Cuts

22 Gamma Calibration ( 57Co & 137Cs )
XENON10 Energy Scale 374pe 1464pe = 3.1 pe/keV = 2.2 pe/keV

23 Gamma Calibration 137Csを用いて、xy平面でのS2シグナルのvertexの位置の再構築をテストする。

24 Gamma Calibration with n-activated Xe
252Cfを用いて、Xeを放射化させる。 放射化させたXeをXENON10へ入れ、164keV・236keVのγを見ることで、S1・S2シグナルの位置についての依存性を見る。

25 Position Dependence of S1 & S2 Signal
n-activated Xeを用いた測定による、この位置依存性を考慮することで、Back Groundを排除する効率が向上する。

26 Calibration with n source ( AmBe )
中性子線源として、AmBeを用いる。(200neutron/s) 中性子線源のデータは原子核反跳(NR)であり、WIMPのシグナルの予言される領域に現れる。これを先のERの結果と分離することが出来るかが、検出器の性能を与える。 AmBeを用いた測定結果とMCとの比較。 threshold~10keV 良く一致している。

27 XENON10 Background Rejection Power
137Cs　γ線源・・・( ER-band ) AmBe　neutron・・・( NR-band ) 50%のAcceptance( Mean~-3σ ・・・下半分 )において、~99.5%の、rejection powerを有する。特に、低エネルギー領域では99.9%にもなる。

28 XENON10 Blind Analysis Cuts
WIMPの探索に関して、3つのカットをかける QC0・・・Basic Quality Cut ノイズ・WIMP探索に意味の無いイベントの除去

29 XENON10 Blind Analysis Cuts
QC1・・・Fiducial Volume Cut Xeの自己シールドの考慮によるBackground事象の除去 Fiducial Volumeとして、r<80mm ・ 15<dt<65 [us] Fiducial Mass = 5.4kg : Backgroundは、~0.6/kg d keVee

30 XENON10 Blind Analysis Cuts
QC2・・・High Level Cut 天井PMT・底部PMTにおけるシグナルの比に基づいたカット。変則的なS1シグナルイベントを取り除く。 Gamma-X event 1回目の散乱が｢Cathodeの下｣で起こると、電子が電場から力を受けないためにS2シグナルが出ない。 2回目の散乱が｢Cathodeの上｣で起こると、通常通りS1・S2が生じる。 結果、S1が大きく出、(S2/S1)が小さく見えWIMPに見えてしまう。

31 Result of XENON10 Experiment

32 XENON10 WIMP Search Data with Blind Cuts
log10(S2/S1) WIMP Search Data WIMP Box ~50% Acceptance NR [Mean -3σ] 2~12 keVee 10 events の5個 ER-bandのGAUSSIANのテール

33 XENON10 WIMP Search Data with Blind Cuts
の5個 ER-bandの寄与ではない。 log10(S2/S1) ×・・・Gamma-X ×・・・missing S2 event 残った最後の1個も、WIMPであるとは考えられない。 cut acceptanceの1%の変化に紛れて混入してしまったのか

34 XENON10 Experiment Upper Limit
結果として、WIMPによる事象を見つけることは叶わなかったが、Cross-sectionを計算することはできる。 Factor 6 過去の測定結果を更新した。

35 Future Plan ・・・Dark Matter探索の実験がまだまだこれからも計画されている。
Cross-section [cm2] ( normalized to nucleon ) ・・・Dark Matter探索の実験がまだまだこれからも計画されている。 今後も液体希ガスを用いた実験は、コストやパフォーマンスの面から見ても実現が容易なので、続けられるだろう。