1. 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

2. 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！

3. 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

4. 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！

5. 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！

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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　・・・

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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。

16. 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

17. 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 ！

18. 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

19. 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！

20. 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

21. 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）

22. μ-TPC模式図
ドリフトプレーン
検出領域
GEM
μ-PIC

23. ラドン計算
これらを解く

24. 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 ）

25. 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）

26. 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）

27. 検出器の性能とダークマター
（2009年3月西村博士論文）