CaF２ (Eu)を用いた 暗黒物質探索実験 東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 蓑輪研究室 菅沼 亘 清水 雄輝、蓑輪 眞

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1 CaF２ (Eu)を用いた 暗黒物質探索実験 東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 蓑輪研究室 菅沼 亘 清水 雄輝、蓑輪 眞
東京大学大学院　理学系研究科　 物理学専攻　　蓑輪研究室　　 　　　　　　　　　　　　菅沼　亘 　　　　　　　　　　　　清水　雄輝、蓑輪　眞 　　　　　　井上　慶純 CaF2を用いた暗黒物質探索実験について、私東京大学大学院理学系研究科物理学専攻　蓑輪研究室　博士課程１年菅沼が発表いたします。

2 目的 低バックグラウンド環境で測定する必要がある バックグラウンドを最も低減できる検出器の構成をめざす 暗黒物質の候補に
WIMP(Weakly Interacting Massive Particle)がある ニュートラリーノ（SUSYからの予言） Spin Independentな反応と Spin Dependentな反応がある 通常の物質と極めて低確率で弾性散乱する 低バックグラウンド環境で測定する必要がある 今回の発表の目的について述べたいと思います。 我々の研究室でおこなわれている暗黒物質実験のことを話したいと思います。 我々が探している暗黒物質の候補にWIMPがあります。その有力な候補に超対称性理論から予言されているニュートラリーノがあります。 この粒子の断面積はSpin Independent な反応とSpin Dependentな反応の和からなります。この断面積は非常に小さいことが予想され、 通常の物質とは極めて低確率で弾性散乱します。 ですから、我々は少ない弾性散乱イベントを見たいために、低バックグラウンド環境で測定する必要があります。 よって、ニュートラリーノと強くスピン相互作用する物質をターゲットとして、バックグラウンド源の特定をするためのSimulationと、神岡地下実験室で環境を少しずつ変えて測定を行ないました。 その結果からバックグラウンドを最も低減できる検出器の構成をめざします。 バックグラウンドを最も低減できる検出器の構成をめざす ニュートラリーノと強くスピン相互作用する物質をターゲットとして、バックグラウンド源の特定をするためのSimulationと、神岡地下実験室で環境を少しずつ変えて測定を行った

3 ニュートラリーノのスピン相互作用 対になったスピンは相殺してしまい、不対核子のみが散乱に寄与 ap: 陽子とのカップリング
an : 中性子とのカップリング 〈Sｐ（N）〉：陽子のSpin期待値 〈Sｎ（N）〉：中性子のSpin期待値 λ: Lande factor J : 原子核の全スピン　 Isotope unpaired Abundance λ2J(J+1) 〈Sｐ（N）〉 〈Sｎ（N）〉 1H P 100% 0.750 0.5 19 F 0.647 0.441 -0.109 23Na 0.041 0.248 0.020 127I 0.023 0.309 0.075 129Xe N 26.4% 0.124 0.028 0.359 まずターゲットに何にしたらいいかを決めるためにニュートラリーノの ニュートラリーノのスピン相互作用について述べたいと思います。 ニュートラリーノのスピン相互作用は対になったスピンは相殺してしまい、不対核子のみが散乱に寄与します。 動作がわかりやすいシンチレーターのCaF2を使う

4 検出器 応用光研製 CaF２（Eu) （CANDLES実験に使用されているCaF2の粉末にEuをドープして作製）
発光量：NaI（Tl）の50% 減衰時間：940ｎｓ 2”Φ×2”　 　質量300g ターゲットをCaF2に決まりましたので、次に検出器について述べたいと思います。 CaF2は阪大のCANDLES実験に使用されているCaF2にEuをドープして作成されたものを使います。 パッシブライトガイド 信越石英製　溶融石英 低バックグラウンドPMT R8778 （XMASSより）

5 配置 シールド ポリエチレン 20cm 鉛 15cm 無酸素銅 10cm EVOHシート 2層 ラドン除去のために EVOHシートの中に
ラドンフリーエアー or蒸発窒素を入れる

6 環境中性子のSimulation 中性子のcount rateは一桁落ちることが期待される
ポリエチレンシールド20ｃｍがある場合とない場合の シミュレーションをGEANT4で行なった 環境中性子Flux　6.6×10-6count ・cm-2・s-1 配置を決めましたが今後はその配置におけるシミュレーションを行ないます。 中性子のcount rateは一桁落ちることが期待される

7 シールド内の主なＢＧ源のSimulation
放射性不純物量は質量分析、 Ge検出器のデータを使用 GEANT4 + DECAY4を利用 ２３８Ｕ ２３２Ｔｈ 無酸素銅 <1.2mBq/kg 2.6mBq/kg 鉛 7.2mBq/kg 6.2mBq/kg Ｒ８７７８ 18mBq 96mBq ＣａＦ２ 38μBq/kg 92μBq/kg 主なＢＧ源 結晶内部からの寄与は少ない シールドとしての銅が影響大？ 数十keV以下で 無酸素銅　～5counts/keV/day/kg PMT ～2counts/keV/day/kg 現在使用されている銅より放射性不純物の少ないシールドを使う必要がある？

8 ＢＧ測定 再現性の 確認 中性子の影響の 確認 ラドンの影響の 確認 PMTの影響の 確認 ＲＵＮ1 ラドンフリーエアー、 ＰＭＴ２個
ラドンフリーエアー、　ＰＭＴ２個 ＲＵＮ2 同上、再セット ＲＵＮ3 ラドンフリーエアー、ポリエチレンシールド、ＰＭＴ２個 ＲＵＮ4 蒸発窒素、ポリエチレンシールド、 ＰＭＴ２個 ＲＵＮ5 ラドンフリーエアー、ポリエチレン、 ＰＭＴ１個 再現性の 確認 中性子の影響の 確認 ラドンの影響の 確認 PMTの影響の 確認 BGの影響の寄与を実際に測定して理解したいために５つ行なわれた。 ※すべてのRUNにCaF2、石英ライトガイド、無酸素銅シールド、 鉛シールドを使用

9 DAQ DAQ内のノイズを減らすため極力シンプルな構成 二つのPMTのCoincidenceでTriggerをかける
オシロスコープの波形データのみ取得

10 チェレンコフイベントカット total partial チェレンコフ光 大量の光子を瞬時に 発生するため partialの割合が大きくなる
total ：波形データ中にあるすべてのphoton 　　　　の波高を積分 partial：最初のphotonが検出されてから 　　　　　200ns以内に検出されたphotonの 　　　　　波高を積分 チェレンコフ光 大量の光子を瞬時に 発生するため partialの割合が大きくなる partial シンチレーションイベント 数keVのシンチレーションイベントは 57Coのコンプトン散乱によって判断

11 測定結果 RUN1とRUN2の比較 RUN2とRUN3の比較 スペクトルの再現性がみられた 5keV以下では中性子シールド
によるバックグラウンドの低減が 見られる

12 RUN3とRUN4の比較 RUN3とRUN5の比較 ラドンフリーエアー（0.02Bq/m3）、 蒸発窒素(0.12Bq/m3)の影響は
小さいことが確認された。 RUN3とRUN5の比較 数keVのイベントはafter pulse の影響でイベントが多くなってしまった 60keVにピークが現れてしまった（２１０Pb?） その他のエネルギー領域はイベントに変化 　がみられない PMTの影響は 少ない

13 まとめ 測定結果より、ラドンフリーエアー、中性子、PMTのバックグラウンドはdominantではなかった
Simulationより、銅シールドの不純物がdominantの可能性がある 現在、高純度銅シールドを用いて測定中

14 preliminary 上限値（preliminary） RUN3から上限値を導出 カウントレート（3-10kev）
　　~20counts/keV/day/kg γ線に対する原子核の シンチレーション効率~0.1 ボロメーター実験よりも 約６倍よい上限値 preliminary

15 ap-an平面 m=30GeVc-2 m=100GeVc-2 preliminary preliminary m = 30 GeVc-2