暗黒物質検出のための 方向感度を持った検出器の開発

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1 暗黒物質検出のための 方向感度を持った検出器の開発
素粒子物理国際研究センターシンポジウム　 ２００２年　２月１９日 白馬 関谷洋之 東京大学理学系研究科

2 暗黒物質の検出方法 暗黒物質と検出器中の原子核との弾性散乱を利用 証拠 予想されるEnergy スペクトル 暗黒物質の分布 熱平衡状態
を仮定 原子核による違い 地球の公転による違い 　　からスペクトルの差を見る 証拠

3 原子核による違い Spin coupling Neutralinoの場合 Scalar Coupling Spin Coupling
同じ条件で実験するのは難しい

4 地球の公転による違い（Annual Modulation）
Galaxy rotation 220km/s DMは一様分布 地球の公転 30km/s Modulationは小、systematic の影響大 確実な大きな特徴

5 暗黒物質の風向き 検出器中の原子核の反跳方向Ω(γ,φ)でみる Exclusion plot アントラセン Carbon Recoil
Maxwell分布を仮定 Exclusion plot 　アントラセン 　　　Carbon Recoil BG 1 count/keV/day/kg 前方と後方で４倍以上の差

6 有機単結晶シンチレーター アントラセン 中性子入射に対し 最大３０％の変化 スチルベン 1.9MeV 3MeV ab面で劈開 単斜晶性結晶
中性子入射に対し　最大３０％の変化 スチルベン 1.9MeV 3MeV ab面で劈開 単斜晶性結晶 D.B.Oliver,G.F.Knoll,IEEE Trans Nucl. Sci. NS15(1968)122 シンチレーション効率に角度依存性がある

7 利用方法１： 結晶軸を暗黒物質の風向きにあわせる
発光効率最大の軸と最小の軸を銀河の回転方向に向け 反跳エネルギースペクトルの変化を見る。 アントラセン Carbon recoil

8 利用方法２：Scintillating bolometer
Phononとphotonの同時測定 Θ:Debye 温度 アントラセン ～100K 動作可能

9 シンチレーション効率の角度依存性 クエンチング（消光）が角度依存する スチルベンについて測定した
重荷電粒子でのみ発光量変化（e,γでは変化） 反跳原子核では変化 クエンチング（消光）が角度依存する の測定が必要 Birksの式（荷電粒子によるエネルギー損失と発光量の関係） 反跳原子核 反跳エネルギー 反跳角度　　　　　　による S:γによる発光効率 しんちれーたーでは荷電粒子がクエンチングしますが。。。。 kB：消光の割合 角度依存 スチルベンについて測定した Quenching Factor γ（電子反跳）による発光量に対する割合

10 スチルベンシンチレーターの特徴 最大３０％の変化 c’軸方向発光量最小 b軸（c’に対し９０°）最大 NaIの３０％発光量 2cm
最高放出波長　410 nm 減衰定数　4.5 ns（即発） 分子性結晶で脆い Pulse shape discrimination が可能 2cm 5.3MeV α入射に対し H.Heckmann et.al. Z.Phys 165(1961)12 c’軸方向発光量最小 b軸（c’に対し９０°）最大 最大３０％の変化

11 クエンチングファクターの測定の原理 Cf 線源（２５２Cf）を用いて
中性子の散乱角、散乱前（後）のTOFから反跳角・反跳エネルギーが求まる。 target Cf TOF TOF 中性子カウンター

12 方法 CAMAC-DAQ Charge ADCを用いたPulse shape discrimination PSD用の液シンBC501A
反跳後のTOFのみ（諸般の事情により。。。） 最初のCADC出力でTrigger 2つのCADCを用いた 　　　２ゲート法

13 Pulse shape discrimination
中性子イベントは遅発成分の発光が多いことを利用 Fast gate Total gate γ ２つの幅のゲートでの積分電荷量を比較 n スチルベン BC501A

14 結果 Event selection Proton recoil （c’に対し６０°） TOFによるカット（γコンプトンイベント）
スチルベンとBC501AでのPSD BC501Aの出力エネルギー＜反跳後のTOFから計算したエネルギー スチルベン－BC501A間　＝　６０ｃｍ Proton recoil （c’に対し６０°） 本来は反跳前後のTOFからselectionすべきだが。。

15 Quenching factor c’に対し大きい角度で反跳したほどQ.Fも大きい （c’に対し３０°） 以前オシロスコープ で測定した結果
（昔のαの実験とconsistent） ＞３０％＠７５０keVの変化

16 Carbon recoil （c’に対して６０°） 見える 見える 角度依存性も 見える もう少しthreshold下げてから。。。

17 今後の予定 低エネルギー領域（１００keV以下）で精度良く測定する必要 特にcarbon recoil 加速器を用いて単色中性子ビームで測定
High impedance, Low threshold discriminator (CAEN N417) Ultra low walk constant fraction discriminator (ORTEC 935) ２つのPMTを用いたself-coincidence 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　dark current 減少、集光量増加 加速器を用いて単色中性子ビームで測定 立教大　コッククロフトウォルトン加速器 候補 300keV/1価　　D(d,n)He(Q=2.5MeV) 東工大　タンデムペレトロン加速器 3MeV/1価　　Li(ｐ,n)Be(Q=ー１．６MeV) パルスビーム

18 発見 そして 暗黒物質の分布（ハローモデル）の検証 銀河中での地球の動きの詳細 その動きに合わせた駆動系の開発 暗黒物質探索実験
向ける結晶軸によりスペクトルの変化をみる 暗黒物質探索実験 発見

19 おしまい