Intrinsic neutron background of nuclear emulsions for direc4onal Dark Ma7er searches （h7p://arxiv.org/abs/1507.03532v2） 第4回計画研究B02若手研究会 2015.08.31 梅本篤宏 原子核乾板による暗黒物質方向探索 WIMPs earth cygnus 原子核乾板を赤道儀に設置⇒反跳原子核の方向異方性とWIMPsの到来方向の検証 AgBr crystal as a sensor 原子核乾板 プラスティックフィルムやガラス板に塗布 40 nm C,N,O polymer (gela9n) as a binder 原子核乾板による暗黒物質方向探索 WIMPs earth cygnus 原子核乾板を赤道儀に設置⇒反跳原子核の方向異方性とWIMPsの到来方向の検証 原子核乾板 Nuclear recoil 現像 飛跡 プラスティックフィルムやガラス板に塗布 40 nm シグナル解析 光学顕微鏡解析 Carbon Ek~100keV イオン注入装置 Ion direc9on 11µm 光学ステージを自動駆動、光学像撮像 解析速度 ~ 0.1 kg /y 光学解析で数百 nmの飛跡の方向を認識 電子顕微鏡やX線顕微鏡を組み合わせて 100 nm 以下の飛跡検出 原子核乾板の特徴 α線照射試料 • 三次元撮像可能 乾板厚 ~ 数十 μm 顕微鏡のZ位置を変えて三次元飛跡認識 α線 ノイズとして高い除去率 • 飛跡検出 AgBr結晶感度（飛跡検出効率）～入射粒子の dE/dx に依存 薬品添加などによる結晶の低感度化 γ線、β線 飛跡を残さないことが可能 15 μm バックグラウンド~中性子~ 中性子と原子核の散乱 飛跡長 反跳原子核 ~ WIMPs反跳原子核 DM探索実験のバックグラウンドになる 発生源 検出器外部 • 宇宙線ミューオン 仮想光子を媒介した原子核破砕 • 岩盤などに含まれる U/Th系列 (α,n)反応、自発核分裂による中性子 ⇒検出器の遮蔽により除去 検出器内部 • 原子核乾板に混じった U/Th 系列の放射線同位体 ⇒何とかして減らす 2015/09/01 原子核乾板の製造 名古屋大学F研究室で製造 プロペラで撹拌 AgNO3溶液 NaBr溶液 ゼラチ ン 水溶液 AgBr 恒温槽 ~300 g/day の製造可 熱溶解して塗布 ゼラチン水溶液に AgNO3,NaBr溶液を滴下→AgBr結晶生成 その他 ポリビニルアルコール(PVA) 結晶成長の抑制 KI 溶液 結晶感度の向上 放射線同位体を含む 目的 • 原子核乾板に含まれる放射線同位体量測定 製造主薬ごとに分けて個別に測定、検出器全体量へ概算 ⇒どの主薬に混入物が多いか原因確認 実験方法 • イタリアグランサッソ ケミカルラボで放射線量の測定 整備された実験環境、DarkSide 実験の関係者から提案 期待される中性子量とエネルギースペクトルを計算 (α,n)反応、自発核分裂 中性子による反跳原子核事象のバックグラウンド量を見積り ⇒ Dark MaXer観測に与える影響を考察 試料 原子核乾板の構成元素と質量比を測定 1 .SEM-‐EDX Ag,Br,I （電子線照射による特性X線） 2.元素分析器 加熱してH2O,CO2,N2吸着 これらの測定データと製造レシピから用いた各々の試薬量をもとに元素量を計算 製造主薬の質量比 これらを主薬とする AgBr-‐I crystal sample Gela9n sample ゼラチン、PVA以外の薬品で製造 製造に用いるゼラチン＋PVAを用意 測定手法 Mass spectroscopy e.g. U, Th, Pb , K Gamma-‐rays spectroscopy U-‐238, Th-‐228, Th-‐232, K-‐40, Ra-‐226, Pb-‐214 etc. ICP-‐MS (Induc9vely Coupled Plasma mass spectrometer) 238U、232Thの存在量測定 プラズマ状態のアルゴンガスを用いて 試料を分解、イオン化 電圧印可で特定の質量電荷比の核種を検出 High purity Ge spectroscopy 主薬から検出したγ線のエネルギースペクトル から238U系列、232Th系列の娘核種量を測定 永続平衡を仮定→ICP-‐MSとの結果比較 ICP-‐MS ~測定結果~ Uncertainty on contamina9on : 30% Conversion factors: 1 Bq/Kg(232Th) = 246 x10-‐9 g/g(232Th) ; 1 Bq/Kg(238U) = 81 x10-‐9 g/g (238U) 原子核乾板の質量構成比に焼き直し 乾板1 kg あたりの放射線量 232Th 5.1±1.5 mBq , 238U 23±7 mBq 11 Gamma Spectroscopy ~AgBr-‐I~ live 9me: 1158142 s radionuclide concentra9ons: From ICP-‐MS Th-‐232: (4±1) mBq/Kg Th-‐232: Ra-‐228: < 12 mBq/kg Th-‐228: < 5.5 mBq/kg From ICP-‐MS U-‐238: (18±5) mBq/Kg U-‐238: Ra-‐226 < 8.9 mBq/kg Th-‐234 < 0.22 Bq/kg Pa-‐234m < 0.59 Bq/kg U-‐235: < 9.2 mBq/kg K-‐40: (0.05 +-‐ 0.02) Bq/kg Cs-‐137: < 6.3 mBq/kg Ag-‐108m: (49.3 +-‐ 3.9) mBq/kg Ag-‐110m: (2.96 +-‐ 0.15) Bq/kg ICP-‐MSの結果とよく一致（2倍程度） Ra-‐228 from Ac-‐228; Th-‐228 from Pb-‐212 & Bi-‐212 & Tl-‐208; Ra-‐226 from Pb-‐214 & Bi-‐214; U-‐235 from U-‐235 & Ra-‐226/Pb-‐214/Bi-‐214 ICP-‐MSの結果を採用 Gamma Spectroscopy ~gela4n~ live 9me: 1657796 s Ra-‐228 10倍程度小さい radionuclide concentra9ons: (β崩壊 中性子量に寄与せず) From ICP-‐MS Th-‐228 2倍程度でよく一致 Th-‐232: (11±3) mBq/Kg Th-‐232: Ra-‐228: < 1.3 mBq/kg Th-‐228: (20 +-‐ 2) mBq/kg From ICP-‐MS U-‐238: (48±14) mBq/Kg U-‐238: Ra-‐226 <(2.4 +-‐ 0.6) mBq/kg Th-‐234 < 79 mBq/kg Pa-‐234m < 44 mBq/kg Ra-‐226 2 0倍小さい U-‐235: < 1.8 mBq/kg この点から永続平衡でない？ K-‐40: < 8.7 mBq/kg Ra-‐226 ~ Ge detector の結果採用 Cs-‐137: (2.2 +-‐ 0.5) mBq/kg Ra-‐226 chain の放射線量(原子核乾板1 kgあたり) 15±5 mBq 13 中性子発生量の計算 1) 自発核分裂 発生する中性子数を計算 A = ac9vity (decay/s) = ( ← 23±7 mBq for 238U ) Ψ = fission probabiliy/decay n = average number of neutrons/fission = (2.07 for 238U) 238U の自発核分裂の影響のみ考慮 1年間、1kgの原子核乾板で実験 R = 0.8 count / kg/y 中性子発生量の計算 2) （α,n）反応 中性子量はαの生成率とエネルギー、αと反応する物質量に依存 S = mass stopping power from ASTAR database j = element of nuclear emulsion wj = mass frac9on of j-‐th element i = α-‐emiqng nuclides in the decay αのエネルギー減少 i 核種のn生成量 yi,j(Ei) = neutron yield of j-‐th element for α par9cle (energy is Ei) emiXed by i-‐th nuclide decay ξi = branching ra9o of i-‐th nuclide decay B = ac9vity of α-‐decaying nuclides in the chain 条件 1. 原子核乾板は十分厚い → 乾板中で反応 or 停止 2. Ag,Br 中性子量に寄与しない → Zが大きい クーロン障壁 ～ αのエネルギー SOURCES code （α,n）反応と自発核分裂による中性子発生量とエネルギースペクトルを計算 ・原子核乾板の元素組成比 ・α崩壊する原子数 ・それぞれの原子の同位体量（natural abundance） 条件 1. 先ほど定義した条件 2. 乾板の組成は均一 よく一致 検出器内から生じる中性子量 30 %の測定誤差が支配的 ~ 1 count /kg year SOURCES code SOURCES code により計算 2015/09/01 WIMPs探索におけるバックグラウンド GEANT４を用いて反跳原子核反応をシミュレーション 条件 SOURCES code で計算したエネルギースペクトルを使用 原子核乾板 構造 25x25x0.5 cm3 1 kg 設置( 3.43 g /cm3) ⇒体積と表面積で中性子の反応率決まる 中性子発生数 106 個 （20.4%が反応） 照射方向と発生場所は等方 結果 反応の種類とレート 弾性散乱が支配的 Proton recoil 飛跡長分布 Proton recoil の飛跡長は 500 μm まで分布 エネルギー分布 Nuclear recoil 飛跡長分布 エネルギー分布 Heavy nuclei (Ag,Br,I) < 1μm Light nuclei (C,N,O) < 3μm WIMPｓ Signal (<1 μm)と仮定⇒シグナル領域に入る中性子バックグラウンド量を決定 結果と考察 短い飛跡はシグナル、ノイズともに検出効率下がる op9cal readout efficiency 中性子反跳事象の検出効率 Rate 考慮 Track Range [nm] シグナルはCygnus 方向と相関 cygnus 原子核乾板 ±1 rad 反跳事象の方向を制限 Intrinsic neutron background 0.02~0.03 count / kg year 10 kg の原子核乾板を用いた実験に影響なし
© Copyright 2024 ExpyDoc
