冷却 活性 炭 に よる ダークマター検出器の高感度化
DESCRIPTION
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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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