冷却活性炭による ダークマター検出器の高感度化

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1 冷却活性炭による ダークマター検出器の高感度化
　冷却活性炭による 　　　ダークマター検出器の高感度化 谷森達、窪秀利、身内賢太朗 株木重人、Parker Joseph、西村広展 上野一樹、黒澤俊介、岩城智、高橋慶在 澤野達哉、谷上幸次郎、東直樹 京大理　　中村　輝石 日本物理学会　2009秋季大会（甲南大学岡本キャンパス） 2009/09/11 ????????実験13 日本物理学会　2009秋季大会（甲南大学岡本キャンパス） 2009/09/11 NEWAGE実験13 NEWAGE 　冷却活性炭による 　　　ダークマター検出器の高感度化 だあくまたん 谷森達、窪秀利、身内賢太朗 株木重人、Parker Joseph、西村広展 上野一樹、黒澤俊介、岩城智、高橋慶在 澤野達哉、谷上幸次郎、東直樹 京大理　　中村　輝石 N w generation IMP search with an dvanced aseous device xperiment E W A ・ ダークマター & 検出方法 ・ ラドンのバックグラウンド ・ 冷却活性炭システム ・ 結果 ＆ まとめ G E

2 NEWAGE 到来方向に偏りがある 飛跡を捉える WIMP （ダークマター） μ-TPC 電子 原子核 μ-PIC CF4ガス
1) 電子 M=80GeV σ=0.1pb θ WIMP WIND 原子核 CF4ガス 原子核 40 [count/3m3/year/bin] 20 μ-PIC 2) シミュレーション 2)μ-TPC　・・・　Micro Time Projection Chamber 1)μ-PIC　・・・　Micro Pixel Chamber -1 1 cosθ

3 現状 （＠神岡） 神岡の地下で実験（2009年3月＊）西村博士論文） 散乱断面積の制限曲線を引いた ・ 飛跡を捉える実験で唯一
現状　（＠神岡） 神岡の地下で実験（2009年3月＊）西村博士論文） 散乱断面積の制限曲線を引いた 　・ 飛跡を捉える実験で唯一 　・ ダークマターはまだ見えない ＊）　元宇宙線研究室 WIMP-陽子 (SD) の制限曲線 σ[pb] 104 だあくまたん 更にバックグラウンドを削減する 102 200keV以上ではラドンのバックグラウンドが支配的 400 200 [keV] [count/keV/kg/day] 102 10 1 実験データ ラドン上 ラドン下 10 102 103 mass [GeV/c2]

4 現在 （＠京都） 地上でラドンのバックグランドを取り除く実験中 ラドン確認 除去システム作成 システムの試験運用 ← NOW!
現在　（＠京都） 地上でラドンのバックグランドを取り除く実験中 40cm 50cm μ-TPC 読み出し ラドン確認 除去システム作成 システムの試験運用　　←　NOW! 神岡（地下）に導入

5 ラドン 発生機構 ・ 検出器の壁などに微量に含まれるウランなどが崩壊 ・ 気体なのでチェンバー内に進入 ・ α崩壊してバックグラウンドとなる
検出領域 壁 U Rn α崩壊 Rn ラドン数の変化　・・・ t [day]

6 ラドンの確認（＠京都） CF4ガス入れ替え直後 10日後 ～6MeVに数日のタイムスケールで成長するピークあり → ラドンがα崩壊している
・・・実験データ ・・・フィッティング 10 [day] 15 4000 5 2000 rate [count/kg/days] 1000 3000 5000 CF4ガス入れ替え直後 10日後 [count/keV/kg/day] [count/keV/kg/day] 102 102 10 10 1 1 5 10 5 10 [MeV] [MeV] ～6MeVに数日のタイムスケールで成長するピークあり →　ラドンがα崩壊している R = 5000 [count/kg/days]

7 冷却活性炭システム 冷却（183K） ・・・ ラドンを液化 活性炭 ・・・ ラドンを吸着 検出器 μ-TPC ポンプ 冷却機 25cm
CF4 CF4 Rn Rnの沸点：211K CF4の沸点：145K ポンプ 冷却機 CF4 Rn ポンプ流量：300ml/min CF4 活性炭 Rn Rn Rn 活性炭 CF4 冷却温度：183K 活性炭：159g

8 システム の 試運転状況 圧力（Torr） 温度（K） TPCと冷却活性炭システムを繋げ、ポンプで循環させた
「安定性の要請・・・圧力の変動は1%以下」 [Torr] 圧力 ・圧力の変動：大 ・徐々に増加 　→ 冷媒が蒸発 温度　（目標値183K） ・冷却265K 　→ 熱電対の位置問題 　→ 冷媒が少（今回） 160 圧力（Torr） 冷却機 熱電対の場所 冷媒 156 150 148 10[Torr] 144 9/5 00:00 9/6 00:00 9/7 00:00 9/8 00:00 9/9 00:00 [K] 270 温度（K） 268 266 264 262 260 今後の課題 圧力変動が1％より大 温度目標に達せず ・ 蓋の開発 ・ 各種量のモニタ

9 ラドン 減少 の 結果 5000 400以下 ラドン：8％以下に削減 6MeVピークの時間変化 冷却活性炭システム無し
冷却活性炭システム有り 5000 4000 3000 rate [count/kg/days] 2000 1000 5 10 15 20 [day] 5000 400以下 ラドン：8％以下に削減 count/kg/days count/kg/days

10 まとめ 冷却活性炭システムの 作成 ＆ 試運転 温度：265K 圧力：10Torrの揺らぎ ⇒ 蓋の開発 ⇒ 小型の熱電対を用いる
⇒ 各種量をモニタ 　　　（室温・冷媒量・冷却槽・流量） ラドン減少　8％以下 ⇒ 長期運用試験 ⇒ 神岡（地下）へ導入 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

11 スライド ショーの最後です。 クリックすると終了しません。
スライド　ショーの最後です。　クリックすると終了しません。

12 ダークマター ・バリオンでない（普通の物質ではない！） ・光で観測できない（電磁相互作用しない） ・質量がある そんなモノは存在するのか？
銀河の回転速度が遠方でも落ちない →　銀河ハローには見えない質量が存在 WMAPのCMB測定 →　宇宙のエネルギーの23％は 　　 非バリオンの質量 ・・・etc

13 ダークマターの候補 WIMP を 狙 え ！ ニュートリノ アクシオン WIMP 標準理論から予言される。
質量が小（～10eV）　→　相対論的な速度 銀河回転の脱出速度を超えてしまう。 銀河形成シナリオを説明できない。 ニュートリノ 量子色力学から提案される。 質量が小（～μeV） 崩壊してγ線を出すので、これを観測する実験がなされているが、検出されていない。 アクシオン 超対称性理論から予言される。 質量が大（10～100GeV） 原子核を反跳する！（反跳エネルギー：～10KeV） この反応を検出したい WIMP WIMP を 狙 え ！

14 WIMP (Weakly Interacting Massive Particle)
ダークマター WMAPのCMB測定 　→ 宇宙のエネルギーの23％は ダークマター（非バリオン） WMAP/NASA WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) ダークマターの有力候補　（質量：10～100GeV） 原子核を反跳する！（反跳エネルギー～100KeV） 反跳を検出　→　WIMP WIMPの計数は多くても　・・・　1 [count/kg/day] ( J.D. Levin, P.F. Smith 1996 ) 少ない →　バックグラウンドを抑えることが重要

15 WIMP の 風 WIMPは銀河内をランダムに運動している。 銀河内を回っている太陽系には、WIMPが風のように吹き付けてくる。
WIND of WIMP

16 WIMPを見るために 季節変動を見る エネルギー変化だけで季節変動を追うのは大変 → 飛跡も検出する！ シミュレーション 2
[count/keV/kg/day] 1 季節変動を見る 100 200 recoil energy [keV] エネルギー変化だけで季節変動を追うのは大変 →　飛跡も検出する！

17 WIMPを見るために 風向を見る！ → 原子核の飛跡を検出する！ シミュレーション
[count/3m3/year/bin]　　　M=80GeV,σ=0.1pb 40 シミュレーション 20 -1 1 cosθ 風向を見る！ WIMP 原子核 θ →　原子核の飛跡を検出する！

18 NEWAGE WIMPはどのくらい見えるのか？ WIMPの計数は多くても ・・・ 1 [count/kg/day] 少ない
[J.D. Levin, P.F. Smith 1996] バックグラウンドを低くする →　神岡の地下にもぐる 検出器を大質量化 →　XMASSグループなど 飛跡の情報も利用 →　これから紹介します！ 検出するためには・・・ 環境γ線 ・・・104[count/kg/day] 環境中性子 ・・・104[count/kg/day] ＠地上 NEWAGE

19 角度分布 反跳原子核の角度分布（反跳エネルギー：100～120[keV]のとき） 0.04 シミュレーション WIMP 原子核 θ 0.03
[count/keV/kg/day/cosθ] 0.02 0.01 -1 1 [cosθ] （2009年3月西村博士論文）

20 μ-TPC模式図 ドリフトプレーン 検出領域 GEM μ-PIC

21 ラドン計算 これらを解く

22 ラドン（ウラン系列） ・ 検出器の壁などに微量に含まれるウランなどが崩壊 ・ 気体なのでチェンバー内に進入
・ α崩壊してバックグラウンドとなる 参考 スーパーカミオカンデの空気中のラドンを冷却活性炭で除去 「2000Bq　→　40Bq」 　（Nuclear Instruments and Method in Physics Research A 501 pp ） t:days

23 ラドン（トリウム系列） ・ 検出器の壁などに微量に含まれるウランなどが崩壊 ・ 気体なのでチェンバー内に進入
・ α崩壊してバックグラウンドとなる 参考 スーパーカミオカンデの空気中のラドンを冷却活性炭で除去 「2000Bq　→　40Bq」 　（Nuclear Instruments and Method in Physics Research A 501 pp ） t:sec

24 バックグランドの内訳 400 200 [keV] [count/keV/kg/day] 102 10 実験データ ラドン（上） ラドン（下）
400 200 [keV] [count/keV/kg/day] 102 10 実験データ ラドン（上） ラドン（下） 102 10 実験データ [count/keV/kg/day] γ線 1 中性子 200 400 [keV] （2009年3月西村博士論文）

25 中性子のバックグランド 地上 ・・・ ～104 [count/kg/day] 地下 ・・・ ～10-1 [count/kg/day]
（2009年3月西村博士論文）

26 実験装置写真 25cm 12cm 冷却パイプ 活性炭を詰める 冷却機 冷媒（フロリナート） 太さ：1/2インチ 質量：159g 巻き数：20
型番：CT-910 温度：183K 冷媒（フロリナート） 体積：約1リットル

27 冷却機起動時の温度・圧力

28 エネルギースペクトル 活性炭付 データ /per3

29 検出器の性能とダークマター （2009年3月西村博士論文）

30 冷却真空試験 室温293K 温度 目標値183K 圧力 温度 ・・・ ラドンの沸点（211K）より低
12cm 室温293K 圧力・温度の時間変化 3 300 温度 ラドン 沸点 200 2 温度[K] 圧力[Pa] CF4 沸点 目標値183K 100 1 圧力 200 400 600 [min] 温度　・・・ ラドンの沸点（211K）より低 CF4の沸点（145K）より高 →　OK 圧力　・・・ 真空漏れなし

31 圧力比較

32 まとめ ありがとうございました ラドンのレートをリサーチ 冷却活性炭システムを製作 低温真空試験 これからは・・・ ・ 循環ポンプの真空試験
12cm 25cm ラドンのレートをリサーチ 冷却活性炭システムを製作 低温真空試験 ありがとうございました これからは・・・ 　　　・　循環ポンプの真空試験 　　　・　常温で運用してラドンの除去能力を確認 　　　・　冷却してのラドンの除去能力を確認 　　　・　システムの長期運用試験