冷却 活性 炭 に よる ダークマター検出器の高感度化

1. 日本物理学会　2009秋季大会（甲南大学岡本キャンパス）日本物理学会　2009秋季大会（甲南大学岡本キャンパス） 2009/09/11 日本物理学会　2009秋季大会（甲南大学岡本キャンパス） 2009/09/11 NEWAGE実験13 ????????実験13 NEWAGE 　冷却活性炭による　　　ダークマター検出器の高感度化 だあくまたん 　冷却活性炭による　　　ダークマター検出器の高感度化 谷森達、窪秀利、身内賢太朗 株木重人、Parker Joseph、西村広展 上野一樹、黒澤俊介、岩城智、高橋慶在 澤野達哉、谷上幸次郎、東直樹 谷森達、窪秀利、身内賢太朗 株木重人、Parker Joseph、西村広展 上野一樹、黒澤俊介、岩城智、高橋慶在 澤野達哉、谷上幸次郎、東直樹 京大理　　中村　輝石 • w generation • IMP search with an • dvanced • aseous device • xperiment N E W A 京大理　　中村　輝石 ・ ダークマター & 検出方法 ・ ラドンのバックグラウンド ・ 冷却活性炭システム ・ 結果 ＆ まとめ G E

2. NEWAGE 到来方向に偏りがある 飛跡を捉える WIMP （ダークマター） M=80GeV σ=0.1pb 電子 1) μ-TPC 原子核 CF4ガス 40 2) μ-PIC WIMP WIND θ 原子核 [count/3m3/year/bin] 20 シミュレーション 0 2)μ-TPC　・・・MicroTime Projection Chamber 1)μ-PIC　・・・　MicroPixel Chamber -1 0 1 cosθ

3. 現状　（＠神岡） 神岡の地下で実験（2009年3月＊）西村博士論文） ＊）　元宇宙線研究室 散乱断面積の制限曲線を引いた 　・ 飛跡を捉える実験で唯一 　・ ダークマターはまだ見えない WIMP-陽子 (SD) の制限曲線 σ[pb] 104 だあくまたん 更にバックグラウンドを削減する 102 200keV以上ではラドンのバックグラウンドが支配的 実験データ ラドン上 ラドン下 102 1 [count/keV/kg/day] 10 10 102 103 mass[GeV/c2] 0 [keV] 200 400

4. 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 μ-TPC 読み出し 50cm 40cm ラドン確認 除去システム作成 システムの試験運用　　←　NOW! 神岡（地下）に導入

5. 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 壁 壁 検出領域 U Rn α崩壊 Rn ラドン数の変化　・・・ t [day]

6. ラドンの確認（＠京都） 6MeVピークの時間変化 CF4ガス入れ替え直後 10日後 5000 [count/keV/kg/day] [count/keV/kg/day] 102 102 4000 3000 10 10 rate [count/kg/days] 2000 1 1 1000 ・・・実験データ 0 0 5 10 5 10 0 ・・・フィッティング [MeV] [MeV] 0 5 10 15 [day] ～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 R = 5000 [count/kg/days]

7. 冷却活性炭システム 冷却（183K） ・・・ ラドンを液化 活性炭 ・・・ ラドンを吸着 検出器 μ-TPC CF4 CF4 Rn 25cm 12cm Rnの沸点：211K CF4の沸点：145K ポンプ 冷却機 CF4 Rn ポンプ流量：300ml/min CF4 活性炭 Rn Rn Rn 活性炭 CF4 冷却温度：183K 活性炭：159g

8. 熱電対の場所 システム の 試運転状況 TPCと冷却活性炭システムを繋げ、ポンプで循環させた 「安定性の要請・・・圧力の変動は1%以下」 [Torr] 160 圧力 ・圧力の変動：大 ・徐々に増加 　→ 冷媒が蒸発 温度（目標値183K） ・冷却265K 　→ 熱電対の位置問題 　→ 冷媒が少（今回） 圧力（Torr） 156 冷媒 150 10[Torr] 148 冷却機 144 9/5 00:00 9/6 00:00 9/7 00:00 9/8 00:00 9/9 00:00 [K] 270 温度（K） 268 266 264 262 260 今後の課題 ・ 蓋の開発 ・ 各種量のモニタ 圧力変動が1％より大 温度目標に達せず

9. ラドン 減少 の 結果 6MeVピークの時間変化 5000 4000 冷却活性炭システム無し 冷却活性炭システム有り 3000 rate [count/kg/days] 2000 1000 0 0 5 10 15 20 [day] 5000 400以下 ラドン：8％以下に削減 count/kg/days count/kg/days

10. まとめ 冷却活性炭システムの 作成 ＆ 試運転 • 温度：265K　圧力：10Torrの揺らぎ • ⇒ 蓋の開発 • ⇒ 小型の熱電対を用いる • ⇒ 各種量をモニタ • （室温・冷媒量・冷却槽・流量） • ラドン減少　8％以下 • ⇒ 長期運用試験 • ⇒ 神岡（地下）へ導入 イメージキャラクター「だあくまたん」 あ　り　が　と　う　ご　ざ　い　ま　し　た

11. 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。

12. 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

13. 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 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 ！

14. ダークマター WMAPのCMB測定 　→宇宙のエネルギーの23％は ダークマター（非バリオン） 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

15. 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。 この方向をとらえることによりWIMPを検出する。 WIND ofWIMP

16. WIMPを見るために シミュレーション 2 1 [count/keV/kg/day] 季節変動を見る 0 0 100 200 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！

17. WIMPを見るために [count/3m3/year/bin]M=80GeV,σ=0.1pb 40 シミュレーション 20 原子核 0 θ -1 0 1 cosθ 風向を見る！ WIMP →　原子核の飛跡を検出する！

18. 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

19. 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 原子核 0.03 θ [count/keV/kg/day/cosθ] 0.02 WIMP 0.01 0 -1 0 1 [cosθ] （2009年3月西村博士論文）

20. μ-TPC模式図 ドリフトプレーン 検出領域 GEM μ-PIC

21. ラドン計算 これらを解く

22. 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） t:days

23. ラドン（トリウム系列） ・ 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） t:sec

24. 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 [count/keV/kg/day] 1 中性子 10 0 200 400 0 200 400 [keV] [keV] （2009年3月西村博士論文）

25. 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）

26. 実験装置写真 冷却パイプ 太さ：1/2インチ 巻き数：20 25cm 活性炭を詰める 質量：159g 12cm 冷却機 型番：CT-910 温度：183K 冷媒（フロリナート） 体積：約1リットル

27. 冷却機起動時の温度・圧力

28. エネルギースペクトル 活性炭付 データ 20090902/per3

29. 検出器の性能とダークマター （2009年3月西村博士論文）

30. 冷却真空試験 室温293K 12cm 圧力・温度の時間変化 3 300 温度 ラドン 沸点 200 2 圧力[Pa] 温度[K] CF4 沸点 目標値183K 100 1 圧力 0 0 400 0 200 600 [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

31. 圧力比較

32. まとめ 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 25cm 12cm 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