スライド 1 - ICEPP Welcome

暗黒物質の方向性検出に向けた
高分解能原子核乾板の研究開発
名古屋大学（F研究室）
中竜大
2011年2月 17th ICEPPシンポジウム@白馬,長野
暗黒物質の直接検出方法
粒子検出器
暗黒物質
地球
太陽
反跳原子核のシグナル
地球
到来方向を検出
・反跳原子核の飛跡を検出
・高い信頼性
・必ず必要な検出方法
(ex. 太陽ニュートリノ Davis & 小柴)
これを固体検出器であ
る原子核乾板でできな
いか！？
原子核乾板における他実験との比較
飛程の閾値
200nm
100nm
XENON 10
CDMSⅡ
現在の最高感度
（方向はわからない)
50nm
塩化銀と臭化銀乳剤の比較
AgBr R >100nm
Thresholdを下げる
DM mass[GeV/c^2]
Spin independentで1ton scaleの
方向検出を目指す！
Cross section[cm^2]
Cross section[cm^2]
Spin-Independent Inateraction
AgBr R >200nm
AgCl R>200nm
AgCl R>100nm
Targetを軽くする
DM mass[GeV/c^2]
原子核乾板実験のスケール
過去にトンスケールの
実験は経験済み
～30t
原子核乾板
OPERA experiment : 30000kg
emulsion(10% volume of detector)
～１t
原子核乾板
CHORUS:800kg emulsion
～100kg
DONUT: 120kg emulsion (10% volume of this detector)
10000
Scanning Power Roadmap
Scanning Power Roadmap
1000
700
140
100
40
1stage
facility
60
7.0
cm 2 / h
10
0.1
1
1.2
0.1
0.1
0.003
0.01 0.003
0.001
TS(1994)
NTS(1996)
CHORUS
CHORUS
UTS(1998)
DONUT
DONUT
SUTS(2006)
SUTS(2007-)
OPERA
OPERA
(～2013)
NIT
原理的な要求性能
1: Track length
Maximum DM velocity<800km/sec
Recoil energy：10-100keV order
Track length < ~400nm
2: Angular resolution
MDM~100GeV でAgBr target
の場合、Rth>50~200
Angular resolution <45deg.
depend on the DM mass or Energy threshold.
＋
3. Background rejection power
@earth
原子核乾板とは？
Example)
放射線・荷電粒子
臭化銀結晶
Emulsion layer
Plastic base
Emulsion layer
200nm
潜像核
臭化銀結晶
現像処理
現像後の銀の並びが粒子の
軌跡を反映。
分解能は、結晶の線密度に依存する
現像銀
High resolution emulsion
(Nano Imaging Tracker:NIT)
normal emulsion(OPERA emulsion)
NIT
200nm
size 200±16 nm
density 2.8g/cc →VAgBr : Vgel = 3 : 7
↓
2.3 grains/μm
分解能が足りない！
size 40±9 nm
density 2.8g/cc →VAgBr : Vgel = 3 : 7
↓
11 grains/μm
5-times higher resolution
高分解能原子核乾板の開発と原理確認
SEM (Scanning Electron microscope)による原理確認
Kr 200keV(680km/sec)
200nm
電子顕微鏡
Low velocity ion created by an
ion implantation system
Electron and optical microscope
Kr
NIT
Kr 400keV (930km/sec)
500nm
反跳原子核の読み出しの問題
読み出し時間
電子顕微鏡
電子顕微鏡
1億年
600 nm
光学顕微鏡
1年以内
光学顕微鏡
（次期高速自動飛跡読み取り装置)
方向が認識できない!
光学顕微鏡で1 μm以下の飛跡をどう読み出すか
コンセプト
現像後の原子核乾板を引き延ばす。
↓
飛跡が伸びる
↓
光学的に観察可能となる
↓
方向情報がわかる！
Track
Elongated
Track
実用的な光学顕微鏡による1 μm以下の飛跡の読み出し
光学顕微鏡における理想的平面分解能
⊿R＝0.61x(λ/NA) ~200nm
一様等方な
引き延ばし
現像後の原子核乾板フィルム
新たな光学認識手法
Result of submicron track and random noise
Track candidate
Random noise
expansion
Emulsion plate
(after development)
本質的に重要な特性
・膨潤特性とポリアクリルアミドを用い
た化学処理
・等方的なXY方向の膨潤
・落射型暗視野光学系
・Zの増大はなし
・ドライなサンプルが可能
The accuracy for expansion
Grid精度 (no Expansion) :0.014 [rad]
引き伸ばしによるゆがみ：0.015 [rad]
X軸とY軸方向の伸びの比率=1.03+-0.02
27x27um grid
角度不定性
=√(0.014)2+(0.015)2+(0.024)2
= 0.032rad (1.8 degree)
Expansion is isotropic!
400keVKrイオンを用いたtest
3μm
Angle [rad]
θ
方向検出が可能！！
引き延ばし率
SEMによる測定
ドライな状態なのでSEM観察が可能
Range分布
182+-77
[nm]
377+-174 [nm]
swell
377/182=2.07
Range [nm]
mean range(μm)
Original
182+-7
Expanded
377+-17
Range [nm]
2倍の引き延ばし率
角度分布におけるミクロなゆがみの確認 by SEM
引き延ばし前
Original condition
σθ[rad]
0.52+-0.05
2
2
 observe   scatter
  measuer
(σscatter=0.31)
引き延ばし後
expanded condition
0.36+-0.03
2
'2
2
 observe   scatter
  measure
  exp
an si on
σexpansion＜0.09rad(5deg.) ミクロなゆがみなし
光学読み出し技術の開発と実証
楕円フィッティング
Kr ion
exposure
楕円率で飛跡候補を自動認識する
3μm
長軸
シグナルの候補
短軸
Kr 400keV sample
100nmオーダーの飛跡および方向を自動で認識!!
No track sample
Range threshold for optical scanning
光学認識効率が飛跡のrangeのみに依存していると仮定
Kr 200keV expanded track
Totalの48%
Opticalな認識効率：43% @200keV
SEMによるRange測定＞~150nm(original range)
(Angular resolution ~36deg.)
ただし、光学認識におけるパラメターはRangeだけではない
課題
・grain形状と認識効率の関係 ⇒track by track 分析
・光学観察時の波長 ⇒光源
・引き延ばし率の向上
精密なefficiency評価
Confirmation of tracks by Xray Microscope
SPring-8 BL47XU @Japan
8keV Xray
光学顕微鏡によるselection
Trackのある視野をX線顕微鏡で
pinpointでチェック
・X線顕微鏡ステージ精度：0.5μm
・焦点深度：70μm
・空間分解能: 100nm
Optical microscope
monitor
X-ray
Optical microscope
Sample
driving stage
Emulsion film
Start position set:
付属光学顕微鏡でFiducial markを認識（原点決め)
現状での観察
光学顕微鏡座標との
対応付け
Sample driving stage移動で指定の位置を観察
1min/view
⇒１日で100-1000eventは
確認可能
光学イメージとX線イメージの対応付け
Optical image
X-ray image
200nm
Range=752nm
↓
Original range=376nm
5grain track
Range=344nm
↓
Original range=172nm
2grain track
Range=262nm
↓
Original range=131nm
2grain track
-光学でのtrack selection ⇒ X線顕微鏡での詳細解析のプロセスを実証。
-X線顕微鏡で最終的に光学顕微鏡の2倍の角度精度で解析可能
中性子デモンストレーション
中性子
暗黒物質
DM
DM
原子核標的
反跳原子核
中性子
中性子
原子核標的
反跳原子核
中性子による反跳原子核の検出は暗黒物質
探索実験の良いデモンストレーション！！
中性子ビーム選定
Erecoil
4M T mn
2

E
cos

n
2
( M T  mn )
Target Ag,Brの150nm以上のrecoilを作り出す:En>10MeV
産業総合技術研究所
中性子標準場施設実験
核融合反応による単色14.8MeV中性子実験
2D
+ 3T →4He + n
14.8MeV単色中性子
Comparison of submicron event density between
observed and simulation data
Observed data
elliptical event density[/view]
Total event
0.83+-0.17
Background event
0.14+-0.07
Signal
0.69+-0.18
1μm
Predicted event density by Geant4 simulation (efficiency is taken into account)
Predicted event density = 0.60 /view (R>150nm)
Angular distribution of submicron recoil track
Major vs. minor
Data
Selection条件
Major/minor>1.5
1.4<minor length<2.6
Number of pix>40
σobserve
submicron track
0.82+-0.18
σsimulation (⊿θ=30deg.)
0.90+-0.05
100nmオーダー反跳核飛跡の前方散乱を確認!!
課題：これらのeventをX線顕微鏡で詳細解析（2011年前期マシンタイム確保した)
まとめ
•固体飛跡検出器である原子核乾板によって1トンスケールの暗黒物質の到来方
向検出を目指す
•1μm以下の飛跡検出のために高分解能原子核乾板(NIT)を開発
⇒低速イオンによってその性能を確認
•光学顕微鏡による100nmオーダーの高速自動飛跡検出のための開発
⇒引き伸ばし技術の開発と画像処理によって自動飛跡認識が可能になった
•最終的にX線顕微鏡によって詳細に解析できることを実証
•中性子によるデモンストレーションを実施
⇒中性子の前方散乱を確認
テスト実験に向けた準備を開始
今後に向けて
• 原子核乾板の独自製造・開発
- 地下での製造に向けたデモンストレーション
- 低バックグラウンド化に向けた基礎開発
- 感度の調整
etc.
次の浅田のトーク
・テスト実験用自動scanning 装置
-GPGPUの導入
- メガピクセルCCDカメラ
- 暗視野光学系
現在作成中
・100kg-1000kgを目指したscanning装置開発
・低バックグラウンド化に向けた開発
現在作成中

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