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高分解能原子核乾板 (NIT) による暗黒物質探索実験

高分解能原子核乾板 (NIT) による暗黒物質探索実験. 中　竜大＠名古屋大学　. ２００７年三者若手夏の学校. 原子核乾板って？. 一種の写真フィルム。荷電粒子が通った跡が銀粒子の形で残る。 ( 位置分解能～ 1μm) ⇒ 特に、寿命の短いような粒子の検出に威力を発揮してきた！ ( 実績：チャーム粒子初検出、 ν τ の初検出、ダブルハイパー核初検出 etc). 現在の解析は自動飛跡読取装置を用いて行われている。. Dark Matter. Dark matter はあるはず. 証拠 ・銀河の回転曲線 ( 遠方で flat)

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高分解能原子核乾板 (NIT) による暗黒物質探索実験

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  1. 高分解能原子核乾板(NIT)による暗黒物質探索実験高分解能原子核乾板(NIT)による暗黒物質探索実験 中　竜大＠名古屋大学　 ２００７年三者若手夏の学校

  2. 原子核乾板って？ 一種の写真フィルム。荷電粒子が通った跡が銀粒子の形で残る。 (位置分解能～1μm) ⇒特に、寿命の短いような粒子の検出に威力を発揮してきた！ (実績：チャーム粒子初検出、ντの初検出、ダブルハイパー核初検出 etc) 現在の解析は自動飛跡読取装置を用いて行われている。

  3. Dark Matter Dark matterはあるはず 証拠 ・銀河の回転曲線(遠方でflat) ・WMAP(ΩDMh2~0.12±0.02) ・重力レンズ etc http://www.astro.rug.nl/~ruwen/cosmology/img/milkrot.png 回転曲線からこの銀河系にもDark Matterは存在する。 Local halo density~0.3GeV/cm3 ( Maxwell分布をしていると考える) Dark Matterの候補：WIMP(Weakly Interacting Massive Particle) 相互作用が弱くて、重い粒子(光を発しないので、電荷は中性) SUSY、Kalza-Klein･･･など、理論家はいろいろな候補を提示してくれている。

  4. E E E WIMPsと地球上の検出器の相対運動 VW WIMPs NIT 200km/sec Vrel = VW+ 200km/sec 200km/sec WIMPsの速度ベクトルVW WIMPはMaxwell分布と考えられるので、地球にはWIMPの風が常に吹く。 S 銀河中心 シグナルは方向性あり バックグランドは等方的 飛跡検出器を使えば、方向性を捕えられる。

  5. AgBr crystal Br WIMP Maxwell 速度分布 のWIMP WIMPs wind Earth 夏 Ag Ag recoil nuclear Sun 220km/sec ゼラチン H,C,N,O,S NIT Earth WIMP 冬 地下でNITを赤道儀に載せ地球の回転を打ち消す Range of recoil nuclear～ 100nm 検出原理 Merit 原子核乾板でDark Matterのsignalを見つけたい ・飛跡としてsignalが見れる。(飛跡情報はエネルギースペクトルの統計数桁に相当) ・大質量化が可能 WIMPｓとの弾性散乱で反跳される原子核の飛跡 原子核乾板を赤道儀にのせWIMPsの風の方向にマウント WIMPｓ signal ; 方向性あり Background;　　等方的

  6. Vrecoil=(Vsun-VWIMPs)(1-cosθ) →100～1000km/sec Recoil energy →10~100keV order Range =10~100nm order

  7. 高分解能原子核乾板(Nano Imaging Tracker:NIT) OPERA,その他従来の乾板 NIT 200nm OPERA:AgBr crystal size ~200nm NIT:AgBr crystal size ~40nm 2.2 AgBr/μm 11 AgBr/μm 通常の原子核乾板の5倍の高分解能化に成功。 (さらなる高分解能化は技術的には可能)

  8. 反跳原子核に対する感度 イオン注入用target chamber Brの反跳を仮定して、低速Krイオン(100～1000km/sec)を打ち込んで評価 microscope (SEM, optical) Kr 15° NIT layer base

  9. Optical microscope picture masked Dark Field Image of Light Microscope Dose = 108/cm2 Random fog シグナルは認識できるが、飛跡としての認識は困難。 飛跡を構成しているかを電子顕微鏡で確認

  10. Kr 1200km/sec (600keV) Kr 680km/sec (200keV) 600 nm 7 AgBr hit 200 nm 3 AgBr hit Kr track(200keV and 600keV) by SEM NIT emulsion is sensitive to 200keV(680km/sec) Kr. でもやっぱり電顕では、大質量の解析は不可能なので、光学顕微鏡での飛跡認識が必要!!

  11. 短い飛跡をどう解析する？ 　低速イオンの飛跡は数個のgrainでclusteringされている。 ⇒このgrainを引き離してしまえば、飛跡の長さが伸ばされ、光学認識が可能になるはず。 1 grain like track Separate grain これが～μm以上なら光学認識が可能

  12. 　　　　　　　　　　飛跡の引き伸ばし技術開　　　　　　　　　　　飛跡の引き伸ばし技術開　 ２つの技術を考案 1．ローラーを用いた引き伸ばし技術 化学処理を施すことで、NITを変性させる。 Kr 15° NIT roller NIT

  13. 600keV(1180km/sec) Kr trackの引き伸ばし

  14. 2.膨潤特性を利用した技術 NIT Kr ion exposure Swell technique of NIT emulsion Kr ion swell Range ~100nm order Expected range ~ μm order optical microscope slice

  15. Expanded 200keV Kr track by swell technique Dark field optical microscope image(×100 object lens) 4μm surface

  16. 600keV 未照射 200keV 400keV random fogは点のまま

  17. Expansion Kr track data by swell technique 200keV 400keV 600keV 1.5±0.5 μm 3.1±0.8 μm 3.6±0.8 μm range [μm] range [μm] range [μm] efficiency67% 98% 100% Rate of number of grain [%] Rate of number of grain[%] Rate of number of grain [%] Kr 200keV number of grain Kr 400keV number of grain Kr 600keV number of grain 2 3 4 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 9 電子顕微鏡に匹敵するtrack情報を得ることが出来る。

  18. 暗黒物質の探索にはバックグラウンド除去が最大の課題暗黒物質の探索にはバックグラウンド除去が最大の課題 飛跡検出の場合、二つ以上のgrainがある間隔以内で接近しているとシグナルとなる。 ・外部バックグラウンド(γ、β、中性子･･･) ・内部バックグラウンド(Th、U崩壊系列からの放射性崩壊によるγ/e,β) 対策 ・感度コントロール ・感光メカニズムの違いによる差別化 今後の開発

  19. Background single hitに見えるが、2grain以上がclusteringされていると引き伸ばしたときに飛跡として見えてしまう。 241Am γ30min exposure ( 2.8MBq) NITは感度を化学的に調整できる。 電子のとまりがけのsingle hitのみしか写らない感度までおとす。

  20. NITの感度コントロール 今まで見せていたNIT⇒実は、化学的処理で最大限に感度を上げたもの。 ・増感していないNIT⇒Krに対して、efficiencyが出ない。 ・最大限の増感処理⇒electronのとまりがけに対し感度が高すぎる。 この間での感度コントロールが必要!! 反跳原子核は非相対論的な速度なので、dE/dxは、electron eventと比べて、けた違いに高い。(～300倍以上)

  21. 未増感NITの中感度増感処理(ハロゲンアクセプター増感処理）　未増感NITの中感度増感処理(ハロゲンアクセプター増感処理）　 ⇒　比較的抑えた増感処理 高感度NIT 中感度NIT 感度を落としたものでもKrの飛跡認識は可能！ γ/eに対する感度⇒241Amγ線を用いてテスト γ/e reject < 10E-5 (99.99999%) (高感度NIT~10E-2)

  22. 解析速度 • 自動飛跡読み取り装置 現在のscan speed ～40cm2/h (OPERA)=0.18cm3/h =4.7kg/year 現在の読み取りスピードでも、1000gのパイロットテストには十分 今後、さらなる読み取り速度の向上は十分可能。 将来的に10～100倍以上の読み取り速度をめざす。 (将来的には、100kg以上の実験をやりたい。)

  23. まとめ 　こんな感じで、現在は基礎開発を地道にやっているところ • 数100nmの飛跡を、光学顕微鏡での飛跡認識させることに成功した。 • 新しい増感処理の開発で、最適感度に近づいた。 (今後、詳細なチューニング) • γ/eバックグラウンドの5桁以上のrejectを可能にした。　 今後のもくろみ 感光メカニズムの違いを光学的に差別化⇒引き伸ばす前にピックアップ

  24. 今後の方針 • スキャニングシステムの構築

  25. バックグラウンドラン⇒詳細なバックグラウンドの評価バックグラウンドラン⇒詳細なバックグラウンドの評価 100g～1kgのプロトタイプで実験開始

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