NEWAGE12 ～神岡地下実験報告4～ 日本物理学会2009年年次大会 2009年3 月27日 立教大学

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1 NEWAGE12 ～神岡地下実験報告4～ 日本物理学会2009年年次大会 2009年3 月27日 立教大学
　西村　広展　 谷森達, 窪秀利,身内賢太朗,株木重人,高田淳史A 服部香里, 上野一樹,黒澤俊介,　井田知宏, 岩城智,高橋慶在 京都大学理学研究科, JAXA/ISASA １、NEWAGE　 (New generation WIMP search with an advanced gaseous tracker　experiment) ２、神岡地下実験報告4　--神岡　地下　First result ３、今後の改良・活性炭フィルターの導入

2 １、NEWAGE 方向感度をもつ WIMP直接探査実験 Gas検出器(現状) ３D tracker with μ- TPC
23 ×28 ×31cm3　有感体積 CF4　0.2atm　8.7g（fiducial） >100keV　 ΔE/E～50％（FWHM）＠５MeV Δσ～45°＠100keV K.Miuchi et. al. PLB６５４（2007）58 WIMP WIND θ F 反跳原子核

3 神岡operation 2008 2007 2008 2009 Dec. Jan. Apr. Jun Sep Dec Mar DM run3
2007 　 　 Dec. Jan.　　 Apr Jun Sep Dec Mar DM run3 DM run4 DM run5 循環テスト DM run exposure [kg∙days] 1.744 0.602 0.524 Cf. 2007　DMrun1,DMrun2 :1/4 volumeRUN Here operation track of this half year.. We start test operation in January, then started Background run on February fifth, But unfortunately on February 19th a part of GEM was broken and effective area decrease. Effective mass became to 1.9 gram from 8.9 gram. After this trouble we continued background run with left volume . We also executed 8 calibration run and twice gas replacement in this span which calibration is needed to check gas gain and efficiency of detector, And gas replacement recovered performance of detector. From March to August we obtained exporsure of kirogramdays. DM run3: Old parameter run (GEM gain 2 ) DM run4: Rich Rn run DM run5 : high GEM gain run (GEM gain4)

4 high Gem gain run Detector構成部品：U、Th とその娘核 等 α線（5-8MeV） Gas ：222Rn 及び娘核
低エネルギー成分 除去可能と予想。 2008年秋季大会＠山形より

5 High GEM gain run GEMのゲインを2倍に変更
GEM間　 V ～×4 uPIC anode 450V　　～×500 GEM間　 V ～×2 uPIC anode 515V　～×1000 0　　　　　　　　　　　　　 　　　1　|cosθ| WIMP-WIND direction 赤:Run-3　（従来） 緑：Run-4（RnRICH） 青：Run-5　 （high GEM gain）

6 Directional Methods (詳しくは西村D論　 あたり参照)　 WIMP-wind model. 90％C.L. Flat back ground model. Direction-sensitive 法におけるSD　Upper limit を更新 JPS 2009 Rikkyo

7 BG 現状分析 （Geant4） 赤：DM run 5 紫：GEM U 4e-6g/g 黒：gas Rn 3.8e-15g/g
緑：γ-ray 青：紫+黒+緑 suppression factor ×30 ・GEMのゲイン調整 　　⇒紫成分　減 ・Rn成分（黒） ・γ線成分 JPS 2009 Rikkyo

8 高性能化・大型化・低Background化
低エネルギーthreshold 　　　　　　⇒　低圧動作　（2008JPS秋身内　0.1atm動作確認 ） 大型化 　　⇒　30×30×50cm3　 （2008JPS秋身内 ） 低バックグラウンド化 GEM電圧　調整 Rn　除去 γ線除去 中性子対策 JPS 2009 Rikkyo

9 Rn 除去システムの導入 TPC 活性炭 ゲッター：H2O等除去 活性炭： 222Rn 等除去 ゲッター合金 カートリッジ
（サエス・ゲッター社） TPC １５ｃｍ テフロンベローズポンプ 活性炭 JPS 2009 Rikkyo

10 活性炭＋ガス循環導入により ⇒Rn量2割以下 ドリフト速度 長期安定性 up （従来の3倍以上長持ち） 循環 停止 期間 Rn量
12月 1月 2月 活性炭＋ガス循環導入により ⇒Rn量2割以下 長期安定性　up （従来の3倍以上長持ち）　　 ドリフト速度 Cf.従来　1か月後　5cm/us 循環 停止 期間 Cf.従来　1か月後　>10counts/keV/kg/days Rn量 （６MeVピーク） ガスgain (相対値) Cf.従来　1か月後 gain 70％ 12月 JPS 2009 Rikkyo 1月 ２月

11 まとめ NEWAGE dark matter run ～2kg・days high GEM gain run 活性炭・循環システム試験
Directional な方法でのDM探索 SD　σ=5400pb＠150GeV/c2 　 活性炭・循環システム試験 Rn減少 安定性up 現在神岡TPCに導入。 ⇒冷却してRn除去率効果をupへ JPS 2008

12 END JPS 2008

13 今後の対策・展望 Rn対策 γ線対策 低エネルギーthreshold 化 活性炭を用いた循環式222Rn除去システム
γ線詳細シミュレーション Tracking能力向上（DAQ　logic改良）　 低エネルギーthreshold 化 低圧力運用 0.2atm ->0.1atm->0.05atm 20aSJ-3 服部講演 JPS 2008

14 Direction map of recoil nuclei
μ-TPC Performance ➁ ～Tracking nuclei (C ,F) Direction map of recoil nuclei (100keV-400keV) North zenith Recoil C and F scatted by neutron. TPC West East N E W 252Cf Angular resolution for track rms=45° for 100keV-400keV C and F track Next topic is how about nuclear recoil. We irradiated with neutron from californium like this, and detect ed the track of recoil carbon and froline With the energy of from 100keV to 400keV. This sky map show measured directions of recoil nucleus. Because In this time we did not determine a head and tail of track so south-east events appear in north-west area in this map. . and this distribution indicate correct direction of the source.. And this is the sum of cos theta distribution when we set neutron source at the 6 places around TPC. The black point is measured point and red line is calculated spectrum by Geant4, While we assume this angular resolution of tracking against geant4 data so as to fit these two histogram. This show we can detect the direction of nuclear recoil with this resolution. The angular resolution is not so good but it will be improved by using lower pressure gas to take long track. Red：expected ( keV) Geant4+ angular solution(45°)

15 角度分解能 for Track 中性子照射時の cosθ 分布を Gean4＋角度分解能と比較。
Geant4 dataにくみこむ角度分解能を パラメータとしてFitのχ2を計算 46±5°（100keV-400 keV）

16 4.198MeV（238U→234Th） 4.775MeV （234U→230Th） 4.688MeV（230Th→226Ra） 4.784MeV （226Ra→222Rn） 5.490MeV （222Rn→218Po） 6.003MeV（218Po→214Pb） 7.687MeV（214Po→210Pb） 5.304MeV（210Po→206Pb）

17 4.013MeV（232Th→228Ra） 5.432MeV （228Th→224Ra） 5.685MeV（224Ra→220Rn） 6.288MeV （220Rn→216Po） 6.779MeV （216Po→212Pb） 8.785MeV（212Po→208Pb） 6.051MeV（212Bi→208Tl）

18 Radon Progency 214Pb ～100keV →quenching 量の見積もり Poの収集効率は？ Pbの検出効率は？
→Rnが作るスペクトルを 含めて計算してみよう。 Paling, Cygnus 2007

19 大きな目標 現状 104 pb 当面30cm cube →100～10-1 Eｔｈを下げて1桁 BGrateで3桁下げる
→10-1～10-2cts/keV/kg/days

20 BackGround Study まとめ 裏 DriftPlane（天井） とGEM（上向き成分） ： uPIC-GEM間：
　現状は影響小 10ppb　→1cts/keV/kg/days　なので　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＜0.1～0.01ppb　目標 uPIC-GEM間： GEMから uPICから 空間Rnから Rn（30ｃｍvolume中） 現状10％程度の寄与。数cts/keV/kg/days 10-2～10-3の削減が必要 低エネルギーに強い寄与。 天井の10～102倍 これらの混じり合わせで現状BGの可能性あり。 U,Th,Rnの分布の一様性

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22 検出器応答 エネルギー校正 ガラスに蒸着した10B ( 厚さ0.6μm )
ドリフトケージ内部にセット、外から252Cfの中性子を減速して照射 10B(n,a)7Li 反応　 (Q=2.70MeV MeV for a) 原子核による校正、低エネルギーへの線形性は別途確認示す必要あり 現状では、校正には6時間程度、見せれる絵には12時間程度かかっている XYイメージ スペクトル a a+Li スペクトル (GEANT4） keV エネルギー vs 飛跡長 2000 keV

23 地上RUN Cosγ distribution dru 1 |Cosγ| SKYMAP Direction of WIMP wind
K.Miuchi et. al. To appear in PLB Preprint arXiv: 1 |Cosγ| SKYMAP This sky map describe a distribution of direction of background event, and expected track of WIMP wind direction, And this graph cos gamma distribution, while gamma is angle between a direction of each event and a direction of WIMP wind at each time. The blue points are experiment data and red line is best fit assuming WIMP distribution, Which this assumption was decline. Then from this parameter, we draw limited line of dark matter cross section in this figure, which is this red line. This is first result of direction sensitive method. Direction of WIMP wind GeV/c2

24 Rn rich run 0 1 3 5 7 9 MeV 0 3 6 9 12 days 6MeVピークｖｓ低エネルギー成分
0 　 100　　200　　300　keV　　　 低エネルギー成分 湧出Rnと平衡になるまで減少 　 　9 MeV 6MeVピーク　dru ６MeVピーク days 6MeVピークｖｓ低エネルギー成分 200keV-400keV ６MeVピーク　dru Geant4の結果の裏付け ⇒high GEM gain run E>110keV 　　　　　　　 　　　　　　でDominant JPS 2008 ６MeVピーク　dru

25 Conventional methode 検出器応答 を考慮した Expected spectrum. 各WIMP mass に対して
検出器応答　を考慮した Expected spectrum. 各WIMP　mass に対して 90%C.L. で棄却できる断面積で Upper　limit決定 黒:50GeV/c2 赤:100GeV/c2 緑:200GeV/c2IMP　mass に対して keV bin で比較 JPS 2009 spring