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有機単結晶シンチレーターを用いた 暗黒物質用方向感度検出器の開発

有機単結晶シンチレーターを用いた 暗黒物質用方向感度検出器の開発. 日本物理学会　２００２年秋季大会. 立教大学. 関谷洋之 清水雄輝　蓑輪眞　井上慶純 東京大学理学系研究科. ２００２年　９月１４日. 暗黒物質検出の方法. 検出器中の原子核との弾性散乱を利用. 何らかの ” modulation （抑揚） ” が必要. 地球の公転を利用. 暗黒物質は Maxwell 分布. 30km/s. エネルギースペクトルの “ Annual Modulation”. Modulation 小さい Systematic の影響大. 暗黒物質の風.

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有機単結晶シンチレーターを用いた 暗黒物質用方向感度検出器の開発

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  1. 有機単結晶シンチレーターを用いた暗黒物質用方向感度検出器の開発有機単結晶シンチレーターを用いた暗黒物質用方向感度検出器の開発 日本物理学会　２００２年秋季大会 立教大学 関谷洋之 清水雄輝　蓑輪眞　井上慶純 東京大学理学系研究科 ２００２年　９月１４日

  2. 暗黒物質検出の方法 検出器中の原子核との弾性散乱を利用 何らかの”modulation（抑揚）”が必要 地球の公転を利用 暗黒物質はMaxwell 分布 30km/s エネルギースペクトルの “Annual Modulation” • Modulation小さい • Systematicの影響大

  3. 暗黒物質の風 暗黒物質はMaxwell 分布 銀河中での回転を利用 220km/s 直接暗黒物質の検出器への入射 方向はわからないが、 原子核の反跳方向Ω(γ,φ)に感度があれば とらえられる

  4. 有機単結晶シンチレーター アントラセン スチルベン ab面で劈開 単斜晶性結晶 シンチレーション効率に角度依存性がある D.B.Oliver,G.F.Knoll,IEEE Trans Nucl. Sci. NS15(1968)122

  5. Quenching Factor 重荷電粒子でクエンチング（消光）が角度依存する シンチレーターによる暗黒物質探索実験では • 反跳原子核 • 反跳エネルギー による　Quenching Factorが重要 暗黒物質の風をとらえるにはさらに • 反跳角度 による　Quenching Factorが必要 スチルベンのQuenching Factor を測定した

  6. 炭素反跳によるQuenching Factor 暗黒物質の質量（数十～数百GeV)を考えたとき、 炭素反跳のエネルギーが検出可能 水素反跳に関してはすでに測定　　 ２００２春の学会＠立命館大学 Y,Shimizu et. al. Nucl. Instr. Meth. A to be published だが、炭素反跳はE visible で１０ｋeV以下 低エネルギーthresholdの実現が必要

  7. PMTゲイン測定 PMTはH6410 （R329-02） LEDを用いて微弱な光を光電面に照射し、１ photo-electronの イベントのゲインを求めた 1 photo-electron event のスペクトル HV 2000V で　2 pC また、　陰極感度のよいもの・暗電流の少ないものを選定した

  8. PMT DUAL 読み出し 暗電流の影響低減・集光率増加のため、 PMT２本のコインシデンスをとり、出力はゲインを合わせてChargeADCのディジタル和

  9. 光電子数の測定 5.9keV+6.4keVのガンマ線の光電ピークを用いて 測定したPMTゲインから発光量を求めた。 2 p.e / kev σ＝0.98keV 量子効率２０％として　 １０ photons/keV Energy threshold ≒ ３keV を達成

  10. クエンチングファクターの測定の原理 線源 を用いて 中性子の散乱角、散乱前（後）のTOFから反跳角・反跳エネルギーが求まる。 target TOF TOF 中性子カウンター

  11. Quenching Factor 測定 中性子飛行距離　６０ｃｍ　　中性子散乱角　１２０度 Event selection • pulse shape discrimination によるγの除去 • 原子核反跳前後のTOFの比　 0.882 • 反跳後のTOFから求めたエネルギーと受け取ったPMTの出力の関係 Raw data Selection 後

  12. 結果 炭素の反跳角度が　　軸に対して９０度、０度のときを測定 分解能・統計が悪くて Quenching Factorの 角度依存性なんとも いえない 3.5MBq線源では距離が 取れず 角度・時間　分解能悪 低エネルギーでQuenching Factorが急激に増加 低エネルギー実験に有利

  13. 今後の予定 東工大　ペレトロン加速器をもちいた測定（９月２４日から） Li(p,n)Be (Q=-1.6MeV) パルスビーム　Time pick off Unit より　TOF精度向上 統計量　向上　見込む 暗黒物質探索 　発光効率最大の軸と最小の軸を銀河の回転方向に向け反跳エネルギースペクトルの変化を見る。 地球の銀河内での運動に合わせた駆動系の製作 NOVASをもちいた追尾システム

  14. シンチレーション効率の角度依存性 重荷電粒子でクエンチング（消光）が角度依存する 発光量と荷電粒子によるエネルギー損失の関係　(Birksの式) S:γによる発光効率 kB：消光の割合 （角度依存） QuenchingFactor （同エネルギーのγによる発光量に対する比） 暗黒物質によるmodulationを捕らえるには • 反跳原子核 • 反跳エネルギー • 反跳角度 による値を知っておく必要がある スチルベンのQuenching Factor を測定した

  15. Quenching Factor 低エネルギーでの急激な上昇はBirksの式では説明できない。 低エネルギーでは 原子核によるエネルギー損失が 大きくなる。 電子と原子核によるエネルギー損失が別に寄与する と考えるとうまく説明できる。

  16. 予想されるスペクトル Fitting の結果 Simulationによる予想

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