冷却活性炭による ダークマター検出器の高感度化 2009/07/29 京大宇宙線研究室 中村　輝石

目次 　　★　ダークマターを見る！ 　　★　μ-TPCで見る！ 　　★　ラドンのバックグラウンド！ 　　★　冷却活性炭システムで除去せよ！ 　　★　まとめ！

WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) ダークマター WMAPのCMB測定 　→ 宇宙のエネルギーの23％は 非バリオン（ダークマター） WMAP/NASA WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) ダークマターの有力候補　（質量：10～100GeV） 原子核を反跳する！（反跳エネルギー～100KeV） 反跳エネルギーを検出　→　WIMP WIMPの計数は多くても　・・・　1 [count/kg/day] ( J.D. Levin, P.F. Smith 1996 ) 少ない →　バックグラウンドを抑えることが重要

WIMPを見るために 風向を見る！ → 原子核の飛跡を検出する！ シミュレーション [count/3m3/year/bin]　　　M=80GeV,σ=0.1pb 40 シミュレーション 20 -1 1 cosθ 風向を見る！ WIMP 原子核 θ →　原子核の飛跡を検出する！

WIMPを見るために 季節変動を見る エネルギー変化だけで季節変動を追うのは大変 → 飛跡も検出する！ シミュレーション 2 [count/keV/kg/day] 1 季節変動を見る 100 200 recoil energy [keV] エネルギー変化だけで季節変動を追うのは大変 →　飛跡も検出する！

μ-TPC で 原子核の飛跡 を 捉える ①WIMPが原子核を反跳 ②電子を電離（飛跡） ③TPC内をドリフト 40cm ④μ-PICで検出 読み出し ①WIMPが原子核を反跳 ②電子を電離（飛跡） ③TPC内をドリフト ④μ-PICで検出 μ-TPC 1) 電子 WIMP 原子核 CF4ガス ドリフト時間から一次元 ピクセル状の検出器から 二次元 μ-PIC 2) →　合わせて三次元の飛跡！ 2)μ-TPC　・・・　Time Projection Chamber with μ-PIC 1)μ-PIC　・・・　Micro Pixel Chamber

現状 （＠神岡） 神岡の地下で実験！（2009年3月西村博士論文） 散乱断面積の 制限曲線を引いた 飛跡を捉える実験の中で唯一！ 現状　（＠神岡） 神岡の地下で実験！（2009年3月西村博士論文） 散乱断面積の 制限曲線を引いた 飛跡を捉える実験の中で唯一！ 他の実験の方がアッパーリミットが低い σ[pb] 104 102 1 さらなるバックグラウンドの低減化 10 102 103 mass [GeV/c2] バックグラウンドの中ではラドンの寄与が大きい

現在 （＠京都） 地上でラドンのバックグランドを取り除く実験中 ・ ラドンの確認 ・ 除去システム作成 ・ システムの試験 ← now 現在　（＠京都） 地上でラドンのバックグランドを取り除く実験中 40cm 50cm μ-TPC 読み出し ・　ラドンの確認 ・　除去システム作成 ・　システムの試験　　←　now ・　運用

ラドン 発生機構 ・ 検出器の壁などに微量に含まれるウランなどが崩壊 ・ 気体なのでチェンバー内に進入 ・ α崩壊してバックグラウンドとなる 検出領域 壁 U Rn α崩壊 Rn ラドン数の変化　・・・

ラドンのバックグラウンド（＠京都） CF4ガス入れ替え直後 10日後 ～6MeVに数日のタイムスケールで成長するピークあり 12 [day] 16 4000 8 4 2000 rate [count/kg/days] 6000 6MeVピークの時間変化 ・・・実験データ ・・・フィッティング CF4ガス入れ替え直後 10日後 [count/keV/kg/day] [count/keV/kg/day] 102 102 10 10 1 1 5 10 5 10 [MeV] [MeV] ～6MeVに数日のタイムスケールで成長するピークあり →　ラドンがα崩壊している

冷却活性炭システム これを作りました！ 活性炭 ・・・ ラドンを吸着する 冷却（183K） ・・・ ラドンを液化させる 検出器 μ-TPC Rnの沸点：211K CF4の沸点：145K 27cm 30cm 検出器 μ-TPC CF4 Rn CF4 12cm 25cm これを作りました！ ポンプ 冷却機 CF4 Rn CF4 活性炭 Rn Rn Rn 活性炭 CF4

冷却真空試験 室温293K 温度 目標値183K 圧力 温度 ・・・ ラドンの沸点（211K）より低 12cm 室温293K 圧力・温度の時間変化 3 300 温度 ラドン 沸点 200 2 温度[K] 圧力[Pa] CF4 沸点 目標値183K 100 1 圧力 200 400 600 [min] 温度　・・・ ラドンの沸点（211K）より低 CF4の沸点（145K）より高 →　OK 圧力　・・・ 真空漏れなし

まとめ ありがとうございました ラドンのレートをリサーチ 冷却活性炭システムを製作 低温真空試験 これからは・・・ ・ 循環ポンプの真空試験 12cm 25cm ラドンのレートをリサーチ 冷却活性炭システムを製作 低温真空試験 ありがとうございました これからは・・・ 　　　・　循環ポンプの真空試験 　　　・　常温で運用してラドンの除去能力を確認 　　　・　冷却してのラドンの除去能力を確認 　　　・　システムの長期運用試験

スライド ショーの最後です。 クリックすると終了しません。 スライド　ショーの最後です。　クリックすると終了しません。

ダークマター ・バリオンでない（普通の物質ではない！） ・光で観測できない（電磁相互作用しない） ・質量がある そんなモノは存在するのか？ 銀河の回転速度が遠方でも落ちない →　銀河ハローには見えない質量が存在 WMAPのCMB測定 →　宇宙のエネルギーの23％は 　　 非バリオンの質量 ・・・etc

ダークマターの候補 WIMP を 狙 え ！ ニュートリノ アクシオン WIMP 標準理論から予言される。 質量が小（～10eV）　→　相対論的な速度 銀河回転の脱出速度を超えてしまう。 銀河形成シナリオを説明できない。 ニュートリノ 量子色力学から提案される。 質量が小（～μeV） 崩壊してγ線を出すので、これを観測する実験がなされているが、検出されていない。 アクシオン 超対称性理論から予言される。 質量が大（10～100GeV） 原子核を反跳する！（反跳エネルギー：～10KeV） この反応を検出したい WIMP WIMP を 狙 え ！

WIMP の 風 WIMPは銀河内をランダムに運動している。 銀河内を回っている太陽系には、WIMPが風のように吹き付けてくる。 WIND of WIMP

WIMPを見るために 季節変動を見る エネルギー変化だけで季節変動を追うのは大変 → 飛跡も検出する！ シミュレーション 2 [count/keV/kg/day] 1 季節変動を見る 100 200 recoil energy [keV] エネルギー変化だけで季節変動を追うのは大変 →　飛跡も検出する！

NEWAGE WIMPはどのくらい見えるのか？ WIMPの計数は多くても ・・・ 1 [count/kg/day] 少ない [J.D. Levin, P.F. Smith 1996] バックグラウンドを低くする →　神岡の地下にもぐる 検出器を大質量化 →　XMASSグループなど 飛跡の情報も利用 →　これから紹介します！ 検出するためには・・・ 環境γ線 ・・・104[count/kg/day] 環境中性子 ・・・104[count/kg/day] ＠地上 NEWAGE

角度分布 反跳原子核の角度分布（反跳エネルギー：100～120[keV]のとき） 0.04 シミュレーション WIMP 原子核 θ 0.03 [count/keV/kg/day/cosθ] 0.02 0.01 -1 1 [cosθ] （2009年3月西村博士論文）

μ-TPC模式図 ドリフトプレーン 検出領域 GEM μ-PIC

ラドン計算 これらを解く

ラドン（ウラン系列） ・ 検出器の壁などに微量に含まれるウランなどが崩壊 ・ 気体なのでチェンバー内に進入 ・ α崩壊してバックグラウンドとなる 参考 スーパーカミオカンデの空気中のラドンを冷却活性炭で除去 「2000Bq　→　40Bq」 　（Nuclear Instruments and Method in Physics Research A 501 pp.418-462）

バックグランドの内訳 実験データ 102 102 ラドン（上） ラドン（下） 10 実験データ [count/keV/kg/day] γ線 1 中性子 10 200 400 200 400 [keV] [keV] （2009年3月西村博士論文）

中性子のバックグランド 地上 ・・・ ～104 [count/kg/day] 地下 ・・・ ～10-1 [count/kg/day] （2009年3月西村博士論文）

検出器の性能とダークマター （2009年3月西村博士論文）