平成22年度京都大学理学研究科修士論文発表会 2011/02/04 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] 銀河の回転曲線 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 • 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 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 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 σSD=1pb M=100GeV target:F 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 予想される散乱角θの余弦分布 • 暗黒物質の"風向き" 飛跡を捉える ⇒ ガス検出器（※） 到来方向異方性には 大きな前後非対称性あり WIMP （※）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 θ 原子核 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 （※）当研究室OB • NEWAGEの神岡地下での先行研究（nishimura09（※））から制限曲線 SD反応の散乱断面積への制限（90%C.L.） WIMP 1) μ-TPC CF4ガス 2) 先行研究による制限曲線 電子 原子核 μ-PIC (pitch:400μm) 2)μ-TPC 1)μ-PIC ・・・ Micro Time Projection Chamber ・・・ Micro Pixel Chamber • 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 容器の壁 検出領域 (76torr CF4) U • 気体 ⇒ 検出領域に侵入 Rn Rn 1days エネルギースペクトルの時間変化 ガス交換から1日目 3000 5000 7000 keV count/keV/kg/days count/keV/kg/days α崩壊（約6MeV） 12 10 8 6 4 2 0 12 10 8 6 4 2 0 19日目 19days 3000 • 検出器に微量含まれる放射性不 純物からラドン発生 5000 7000 keV • α崩壊 ⇒ バックグラウンド 容器の壁 検出領域 (76torr CF4) U Rn 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：211K CF4の沸点：145K α崩壊 循環ポンプ 600ml/min 活性炭160g ・ 螺旋部：60g ・ 円筒部：100g 冷却機 183K 12cm • 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 検出領域 (76torr CF4) U Rn α崩壊 循環ポンプ 600ml/min ラドンの量 Rn ラドンの時間変化 循環なし （循環なしのときの一定値を1に規格化） 冷却機 183K 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 • ガス交換後20日でのラドン：1/4 エネルギースペクトルの時間変化 冷却活性炭なし count/keV/kg/days 12 10 8 6 4 2 0 3000 5000 7000 keV 5days 3000 5000 7000 keV 12 10 8 6 4 2 0 • 流量2.5倍以上のポンプで1/10 になると予想される 1days 3000 5000 7000 keV 5days ラドンの時間変化 ラドン除去システムなし 3000 12 10 19days 8 6 4 2 0 3000 5000 7000 keV count/keV/kg/days count/keV/kg/days 12 10 19days 8 6 4 2 0 3000 12 10 8 6 4 2 0 count/keV/kg/days 1days count/keV/kg/days count/keV/kg/days 12 10 8 6 4 2 0 冷却活性炭あり 5000 7000 keV ラドン除去システムあり 5000 7000 keV 低 圧、運用 圧力ごとの飛跡長（SRIM） • ガス圧低減（152torr → 76torr） • 飛跡長が約2倍に 長 短 • 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） 予想されるエネルギースペクトル • 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） σ=1pb, M=100GeV, target:F 252Cf • 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 検出器 • 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 • 半分の50keVに達さなかったのは、 ガスゲイン不足 原子核反跳事象 の検出効率 • 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） 赤：76torr 青：152torr • 1を超過しているのは、シミュレーショ ンの不定性 252Cf • 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） 中性子 θ 原子核 • 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 カウント数 カウント（相対値） • 100keV以下：要アルゴリズムの改良 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°） 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） イメージキャラクター「だあくまたん」 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 ありがとうございました まだだ、まだ終わらんよ • 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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