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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 ~. NEWAGE 実験. 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. 銀河の回転曲線. 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 ⇒ 銀河団スケールに暗黒物質 - PowerPoint PPT Presentation
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ダークマター検出器の 低バックグラウンド化・高感度化
• 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
京大理 中村 輝石
ICEPP シンポジウム 2011/02/21
だあくまたんNEWAGE 実験
~ ラドンも閾値もあるんだよ ~
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
⇒ 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 "
銀河の回転曲線
銀河団衝突領域
宇宙のエネルギー組成
銀河の中心からの距離 [pc]
星の
回転
速度
[km
/s]
暗黒物質の候補粒子「 WIMP 」• 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
Weakly Interacting Massive Particle
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
MSSM で追加される粒子
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
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(※)
計数率の季節変化は数 % 程度
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
(※)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
σSD=1pbM=100GeVtarget:F
θ
cygnus
WIMP
原子核
6月 12月
予想されるエネルギースペクトル
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
原子核
WIMP
電子
2)μ-TPC ・・・ Micro Time Projection Chamber1)μ-PIC ・・・ Micro Pixel Chamber
μ-TPC1)
μ-PIC2)
CF4 ガス
New general WIMP search with an Advanced Gaseous tracker Experiment
SD 反応の散乱断面積への制限( 90%C.L. )
(※)当研究室 OB
(pitch:400μm)
先行研究による制限曲線
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. )
ラド ン、除去
検出領域(76torr CF4)
ラドン発生機構容器の壁
Rn
U
α崩壊(約 6MeV )
Rn
• 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
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s
1days
ガス交換から 1 日目
19days
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s
19 日目
エネルギースペクトルの時間変化
検出領域(76torr CF4)
ラドン除去システム
循環ポンプ600ml/min
冷却機183K
活性炭 160g ・ 螺旋部: 60g ・ 円筒部: 100g
Rn
U
α崩壊
Rn
• 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
ラドンの沸点: 211KCF4 の沸点: 145K
12cm20
cm
容器の壁
循環ポンプ600ml/min
検出領域(76torr CF4)
冷却機183K
活性炭 160g ・ 螺旋部: 60g ・ 円筒部: 100g
ラドン量の計算
Rn
U
α崩壊
Rn
ガス交換後からの日数
ラドンの時間変化
ラド
ンの
量
(循環なしのときの一定値を 1 に規格化)
• 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
循環なし
60ml/min
150ml/min
30ml/min
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
ラドンの時間変化
冷却活性炭あり冷却活性炭なし
エネルギースペクトルの時間変化
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s1days
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s
1days
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s
5days
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s
5days
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s
19days
keV
10
3000 5000 700002468
12
coun
t/ke
V/kg
/day
s
19days
ラドン除去システムなし
ラドン除去システムあり
低圧、運用
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• 暗黒物質に対する感度上昇(約 10倍)
current threshold
new threshold
σ=1pb, M=100GeV, target:F予想されるエネルギースペクトル
圧力ごとの飛跡長( SRIM )
• 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)
長
短
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
• 100keV@152torr の検出効率と同等の検出効率を持つエネルギーが 70keV@76torr に低下
赤: 76torr青: 152torr
原子核反跳事象の検出効率
• 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
検出器
252Cfneutron
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: 50+7-2 度( 100-200keV )
(先行研究: 55 度 @152torr ) ⇒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( 100-200keV )
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
( 100-200keV 、角度分解能ごと)
カウ
ント
(相
対値
)
カウ
ント
数
θ
252Cf
中性子
原子核
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
50°@100-200keV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
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展望・・・・ 流量 2.5 倍 UP ⇒1/10
あ り が とうござい ました
イメージキャラクター「だあくまたん」
まだだ、まだ終わらんよ