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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
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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！
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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） 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） WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) WMAP/NASA 反跳エネルギーを検出 → WIMP 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抑えることが重要
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WIMPを見るために 風向を見る！ → 原子核の飛跡を検出する！ WIMP 原子核 θ cosθ 1 -1 0 0 20 40 [count/3m3/year/bin] M=80GeV,σ=0.1pb シミュレーション
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WIMPを見るために 季節変動を見る 0 200 100 [count/keV/kg/day] 1 2 0 recoil energy [keV] シミュレーション 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！
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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 で 原子核の飛跡 を 捉える 原子核 WIMP 電子 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 → 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 μ-TPC 1) μ-PIC 2) CF4ガス 40cm μ-TPC 読み出し 読み出し
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現状 （＠神岡）
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 神岡の地下で実験！（2009年3月西村博士論文） さらなるバックグラウンドの低減化 σ[pb] 102 1 104 102 103 mass [GeV/c2] 10 バックグラウンドの中ではラドンの寄与が大きい
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現在 （＠京都）
・ ラドンの確認 ・ 除去システム作成 ・ システムの試験 ← now ・ 運用 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
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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 Rn U Rn α崩壊 壁 ラドン数の変化 ・・・
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[MeV] ラドンのバックグラウンド（＠京都） 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 → ラドンがα崩壊している 0 10 102 5 0 10 5 102 [MeV] [count/keV/kg/day] CF4ガス入れ替え直後 [count/keV/kg/day] 1 1 10 10 12 [day] 16 0 4000 0 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
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冷却活性炭システム
活性炭 ・・・ ラドンを吸着する 冷却（183K） ・・・ ラドンを液化させる Rnの沸点：211K CF4の沸点：145K 冷却機 検出器 μ-TPC ポンプ CF4 Rn CF4 Rn CF4 活性炭 活性炭 Rn Rn Rn 12cm 25cm 27cm 30cm これを作りました！ CF4 CF4
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冷却真空試験 圧力・温度の時間変化 0 2 1 300 0 100 200 200 400 600 温度[K] [min] 0 圧力[Pa] 3 温度 圧力 室温293K 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 目標値183K ラドン 沸点 CF4 沸点 12cm
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まとめ
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 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 12cm 25cm ありがとうございました
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ダークマター WMAPのCMB測定 → 宇宙のエネルギーの23％は 非バリオンの質量 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 そんなモノは存在するのか？ ・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 ・・・etc
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ダークマターの候補 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 WIMP 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 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。 WIMP を 狙 え ！
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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。 この方向をとらえることによりWIMPを検出する。
WIMP の 風 WIND of WIMP
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WIMPを見るために 季節変動を見る 0 200 100 [count/keV/kg/day] 1 2 0 recoil energy [keV] シミュレーション 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！
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NEWAGE
WIMPはどのくらい見えるのか？ 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 WIMPの計数は多くても ・・・ 1 [count/kg/day] 少ない [J.D. Levin, P.F. Smith 1996]
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