冷却活性炭による　　　ダークマター検出器の高感度化

日本物理学会　 2009 秋季大会（甲南大学岡本キャンパス）

2009/09/11NEWAGE 実験 13

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

・ 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

だあくまたん京大理　　中村　輝石

　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

京大理　　中村　輝石

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???????? 実験 13

w generation IMP search with an

dvanced aseous device

xperiment

NEWAGENEW

AG

E

NEWAGE

原子核

WIMP（ダークマター）

電子

2)μ-TPC 　・・・　 Micro Time Projection Chamber1)μ-PIC 　・・・　 Micro Pixel Chamber

μ-TPC1)

μ-PIC2)

CF4ガス

到来方向に偏りがある

飛跡を捉える

cosθ1-1 0

0

20

40

M=80GeVσ=0.1pb

シ ミ ュ レ ーション

θWIMP WIND

原子核

[count/3m

3 /year/bin]

だあくまたん

現状　（＠神岡）

散乱断面積の制限曲線を引いた　・ 飛跡を捉える実験で唯一　・ ダークマターはまだ見えない

神岡の地下で実験（ 2009 年 3 月＊）西村博士論文）

更にバックグラウンドを削減する

σ[pb]

102

1

104

102 10310

＊）　元宇宙線研究室

0 400200 [keV]

[cou

nt/k

eV/k

g/da

y]

102

10

実験データラドン上ラドン下

mass [GeV/c2]

200keV 以上ではラドンのバックグラウンドが支配的

WIMP- 陽子 (SD) の制限曲線

現在　（＠京都）

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

地上でラドンのバックグランドを取り除く実験中

40cm50cm μ-TPC

読み出し

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

URn

α崩壊

壁

ラドン数の変化　・・・ t [day]

[MeV]

ラドンの確認（＠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 0 105

102

[MeV]

[count/keV/kg/day]CF4 ガス入れ替え直後 [count/keV/kg/day]

1 1

10 10

R = 5000 [count/kg/days]

6MeV ピークの時間変化

・・・実験データ

・・・フィッティング

10 [day]150

4000

05

2000

rate

[cou

nt/k

g/da

ys]

1000

3000

5000

ポンプポンプ流量：300ml/min

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

Rn の 沸 点 ：211KCF4 の 沸 点 ：145K

冷却機

検出器μ-TPC

CF4 Rn

CF4 Rn

CF4

活性炭

活性炭Rn

Rn

RnCF4

CF4

冷却温度：183K

活性炭：159g

12cm25cm

システム の 試運転状況

150

9/500:00

160

148

144

270268

260

9/800:00

9/600:00

9/900:00

温 度（ K ）

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）

9/700:00

[Torr]

[K]

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」

156

266264262

圧力変動が 1 ％より大温度目標に達せず

・ 蓋の開発・ 各種量のモニタ

今後の課題

圧 力（ Torr ）

10[Torr]

冷却機

熱電対の場所

冷媒

ラドン 減少 の 結果

5000 400 以下

ラドン： 8 ％以下に削減

10 [day]150

4000

05 20

2000

rate

[cou

nt/k

g/da

ys]

5000

1000

3000

count/kg/days count/kg/days

6MeV ピークの時間変化

冷却活性炭システム無し

冷却活性炭システム有り

まとめ冷却活性炭システムの 作成 ＆ 試運転

あ　り　が　と　う　ご　ざ　い　ま　し　た

イメージキャラクター「だあくまたん」

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

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。

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

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 ！

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）

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

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 ofWIMP

WIMP を見るために

季節変動を見る0

200100

[cou

nt/k

eV/k

g/da

y]

1

2

0recoil 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！

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

cosθ1-1 0

0

20

40

[count/3m3/year/bin] 　　　M=80GeV,σ=0.1pb

シ ミ ュ レ ーション

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]

角度分布

0[cosθ]

[cou

nt/k

eV/k

g/da

y/co

sθ]

1

0.04

0

シミュレーション

（ 2009 年 3 月西村博士論文）

0.03

0.02

0.01

-1

反跳原子核の角度分布（反跳エネルギー： 100 ～ 120[keV] のとき）

WIMP

原子核

θ

μ-TPC模式図ドリフトプ

レーン

GEM

μ-PIC

検出領域

ラドン計算

これらを解く

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

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

バックグランドの内訳102

1

10

[cou

nt/k

eV/k

g/da

y]

0 400200[keV]

実験データγ線中性子

（ 2009 年 3 月西村博士論文）

0 400200[keV]

[cou

nt/k

eV/k

g/da

y]

102

10

実験データ

ラドン（上）

ラドン（下）

中性子のバックグランド

（ 2009 年 3 月西村博士論文）

地上 ・・・ ～ 104 [count/kg/day]地下 ・・・ ～ 10-1 [count/kg/day]

実験装置写真

12cm25cm

冷却パイプ太さ： 1/2 インチ巻き数： 20

活性炭を詰める質量： 159g

冷媒（フロリナート）体積：約 1 リットル

冷却機型番： CT-910温度： 183K

冷却機起動時の温度・圧力

エネルギースペクトル

活性炭付 データ 20090902/per3

検出器の性能とダークマター

（ 2009 年 3 月西村博士論文）

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

圧力比較

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