ダークマター検出器の だあくまたん 低バックグラウンド化・高感度化 京大理 中村 輝石 NEWAGE実験 暗黒物質 探索実験「NEWAGE」

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1 ダークマター検出器の だあくまたん 低バックグラウンド化・高感度化 京大理 中村 輝石 NEWAGE実験 暗黒物質 探索実験「NEWAGE」
ICEPPシンポジウム　2011/02/21 　ダークマター検出器の 　　　　　低バックグラウンド化・高感度化 だあくまたん ～ ラドンも閾値もあるんだよ ～ 京大理　中村 輝石 暗黒物質 探索実験「NEWAGE」 ラドン除去 エネルギー閾値低下 まとめ & おまけ

2 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分布と異なる
　暗黒物質 銀河の回転曲線 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 ⇒ 宇宙の様々な階層に 　　　　　非バリオンな"暗黒物質" 星の回転速度 [km/s] 銀河の中心からの距離 [pc] 銀河団衝突領域 宇宙のエネルギー組成

3 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
　暗黒物質の候補粒子「WIMP」 Weakly Interacting Massive Particle 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 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 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 MSSMで追加される粒子

4 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（※） cygnus
　暗黒物質の直接探索方法 σSD=1pb M=100GeV target:F 予想されるエネルギースペクトル 　　　6月 　　　12月 計数率の季節変化は 数%程度 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（※） 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 θ cygnus WIMP 原子核 （※）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

5 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
New general WIMP search with an Advanced Gaseous tracker Experiment 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 （※）当研究室OB SD反応の散乱断面積への制限（90%C.L.） WIMP μ-TPC 1) 先行研究による制限曲線 電子 CF4ガス 原子核 μ-PIC 2) (pitch:400μm) 2)μ-TPC　・・・　Micro Time Projection Chamber 1)μ-PIC　・・・　Micro Pixel Chamber

6 SD反応の散乱断面積への予想される制限（90%C.L.）
　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.）

7 ラ ド ン、除去

8 ラドン発生機構 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 U Rn Rn
　ラドン発生機構 容器の壁 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 検出領域 (76torr CF4) U Rn Rn α崩壊（約6MeV） keV 10 3000　　　　5000　　　 7000 2 4 6 8 12 count/keV/kg/days 1days エネルギースペクトルの時間変化 ガス交換から1日目 19days keV 10 3000　　　　5000　　　 7000 2 4 6 8 12 count/keV/kg/days 19日目

9 ラドン除去システム 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 U Rn Rn
　ラドン除去システム 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 容器の壁 検出領域 (76torr CF4) U Rn ラドンの沸点：211K CF4の沸点：145K Rn α崩壊 循環ポンプ 600ml/min 冷却機 183K 活性炭160g 　　・ 螺旋部：60g 　　・ 円筒部：100g 20cm 12cm

10 ラドン量の計算 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 U Rn Rn 容器の壁
　ラドン量の計算 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 検出領域 (76torr CF4) U Rn Rn ラドンの時間変化 循環なし α崩壊 ラドンの量 （循環なしのときの一定値を1に規格化） 冷却機 183K 循環ポンプ 600ml/min 30ml/min 60ml/min 活性炭160g 　　・ 螺旋部：60g 　　・ 円筒部：100g 150ml/min ガス交換後からの日数

11 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 冷却活性炭なし
　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 エネルギースペクトルの時間変化 冷却活性炭なし 冷却活性炭あり 12 12 10 1days 10 1days 8 8 count/keV/kg/days 6 count/keV/kg/days 6 4 4 2 2 3000　　　　5000　　　 7000 keV 3000　　　　5000　　　 7000 keV 12 12 10 5days 10 5days ラドンの時間変化 8 8 count/keV/kg/days 6 count/keV/kg/days 6 4 4 2 2 ラドン除去システムなし 3000　　　　5000　　　 7000 keV 3000　　　　5000　　　 7000 keV 12 12 10 19days 10 19days 8 8 count/keV/kg/days 6 count/keV/kg/days 6 4 4 ラドン除去システムあり 2 2 3000　　　　5000　　　 7000 keV 3000　　　　5000　　　 7000 keV

12 低 圧、運用

13 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
　低圧動作の効用 圧力ごとの飛跡長（SRIM） 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） 長 短 予想されるエネルギースペクトル σ=1pb, M=100GeV, target:F 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） new threshold current threshold

14 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
　検出効率 252Cf neutron 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 検出器 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 原子核反跳事象の検出効率 赤：76torr 青：152torr

15 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 θ 252Cf 中性子 原子核 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（ keV） 　⇒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（ keV） カウント数 カウント（相対値） 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 （ keV、角度分解能ごと）

16 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
　結論 イメージキャラクター「だあくまたん」 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 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 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 ありがとうございました

17 まだだ、まだ終わらんよ