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到来方向に感度を持つ 暗黒物質 の直接探索実験 NEWAGE における感度上昇のための バックグラウンド低減及びエネルギー閾値低下の研究

平成 22 年度京都大学理学研究科修士論文 発表会 2011/02/04. 到来方向に感度を持つ 暗黒物質 の直接探索実験 NEWAGE における感度上昇のための バックグラウンド低減及びエネルギー閾値低下の研究. だあくまたん. 宇宙線研究室　中村 輝石. 暗黒物質 探索実験 NEWAGE バックグラウンド低減 エネルギー閾値低下 まとめ. 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の分布と 異なる ⇒ 銀河団 スケールに暗黒物質

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到来方向に感度を持つ 暗黒物質 の直接探索実験 NEWAGE における感度上昇のための バックグラウンド低減及びエネルギー閾値低下の研究

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  1. 平成22年度京都大学理学研究科修士論文発表会2011/02/04平成22年度京都大学理学研究科修士論文発表会2011/02/04 • 到来方向に感度を持つ暗黒物質の直接探索実験 • NEWAGEにおける感度上昇のための • バックグラウンド低減及びエネルギー閾値低下の研究 だあくまたん 宇宙線研究室　中村輝石 • 暗黒物質 • 探索実験NEWAGE • バックグラウンド低減 • エネルギー閾値低下 • まとめ

  2. 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の分布と異なる • ⇒ 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 • ⇒ 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. 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. σSD=1pb M=100GeV target:F 暗黒物質の直接探索方法 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（※） 予想される散乱角θの余弦分布 到来方向異方性には 大きな前後非対称性あり cygnus WIMP θ （※）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 原子核

  5. NEWAGE 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 先行研究による制限曲線 電子 1) μ-TPC 原子核 CF4ガス 2) μ-PIC (pitch:400μm) 2)μ-TPC　・・・MicroTime Projection Chamber 1)μ-PIC　・・・　MicroPixel Chamber

  6. 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 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） 12 1days 10 8 エネルギースペクトルの時間変化 count/keV/kg/days 6 4 ガス交換から1日目 2 0 keV 300050007000 19日目 12 19days 10 8 count/keV/kg/days 6 4 2 0 300050007000 keV

  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 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 冷却機 183K 循環ポンプ 600ml/min 20cm 活性炭160g 　　・螺旋部：60g ・円筒部：100g 12cm

  10. 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 ラドン量の計算 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 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 1days 1days 10 10 8 8 count/keV/kg/days count/keV/kg/days 6 6 4 4 2 2 0 0 keV 300050007000 keV 300050007000 12 12 5days 5days 10 10 ラドンの時間変化 8 8 count/keV/kg/days count/keV/kg/days 6 6 4 4 2 2 ラドン除去システムなし 0 0 keV 300050007000 keV 300050007000 12 12 19days 19days 10 10 8 8 count/keV/kg/days count/keV/kg/days 6 6 4 4 ラドン除去システムあり 2 2 0 0 keV 300050007000 keV 300050007000

  12. 低 圧、運用

  13. 圧力ごとの飛跡長（SRIM） 低圧動作の効用 長 • 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） 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. 252Cf 検出効率 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 • 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 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：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） カウント数 カウント（相対値） 252Cf 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） 中性子 θ 原子核

  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 • 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 • 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 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

  17. まだだ、まだ終わらんよ

  18. 活性炭のラドン吸着の限界は？ • 相互作用は？（エネルギー依存性） • 圧力半分で標的は半分だよね？

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