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液体キセノン中での電荷増幅を用いた TPCによる暗黒物質検出器の開発 関谷洋之，伊藤好孝A，増田公明A，今井祐輝B，河島孝則B， 澤田恭平B，高橋光成，竹内雄也B，福永大輔B，奥野友貴B， 引持力哉B，山野内雄哉B，四谷祐輔B，脇山雄多B 東大宇宙線研，名大太陽地球環境研A，名大理B 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 東海大学 キセノン暗黒物質検出器の売り • Self shielding によるBG rejection • Scintillation とIonizationの両方が検出できる – excitation/ionization比によってPIDしてBG rejection Doke Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) NJT Smith ICRC2013T 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 2 どう使うか 暗黒物質検出器として考えた場合、液体キセノンがベース 3通りの方法が考えられてきた • 1相 – 単に液体シンチレーターとして – Ionizationを光でみるTPCとして Xenon phase diagram • 2相 (気体と液体) 1相 TPCと同じだがより簡単に実現でき 世界の主流となった c.f. 気体キセノン TPC：方向感度検出器 固体キセノン (R&D@ UCLA, Fermilab,…) • 固体キセノンシンチレーター • 固体キセノンTPC • 固体＋ガス2相式TPC 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 3 1相 TPC • Xe検出器の最初のアイデアで、様々研究されたが未実現 – 電離で生じた電子を電場で集め、さらに高電場で電荷増幅、比例蛍光を発生させる Charge +HV +HV S2 S2 E S1 - e- e e e- - ee S1 E -HV S1 S2 Time 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 4 最近のproposal • Spherical/Cylindrical TPC Masuda,Itow and HS • ParisTPC conf (2012) Thick GEM in LXe • Breskin ParisTPC conf (2012) できれば CsI蒸着したGEMで光読み出し PIDに加え、event positionを正確に 決めSelf shieldingを完全なものにする +HV (様々なmotivation) Up Level PANDA-X Giboni WPAS2014 conf. 二相式検出器の液面コントロール が実は厄介だ Charge Detects S1&S2 S2 Detects S1 E e- -ee S1 Gas spherical TPC Giomataris JINST 3:P09007(2008) (GND) HV 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 5 準備実験を計画中 • ワイヤーによる液体キセノン中の電荷増幅およびS1,S2の確認を目指す XMASSの プロトタイプPMT Miyajima & Masuda et. al., NIM 160 (1979) 239,247 の再現 210Poからのα ワイヤー電圧 1.6kV S1 3.0kV S1 S2 S2 +3kV 電位 0V -6kV “比例計数管” 直径6mm ワイヤー線径10μm 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 6 電極およびキセノン容器 • コッククロフト回路による電圧供給 – 丸ごと液体キセノンに漬ける • MgF2窓 内容積0.43L – MgF2窓を通して光読み出し – セラミック基板上に回路 • Xe導入 ライン 液体窒素温度で動作確認した素子 – – フィードスルー 温度計 液面計用 フィードスルー 電源用 電荷読み出し用も ダイオードSTMicro STTH1L06 コンデンサVishay 564R30GAT47 ３００V入力 高圧アンプ(HEOP-0. 6B1-L1-2/松定) ｘ20、ｘ10昇圧回路 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 7 電場シミュレーション（の状況） • ３D有限要素法解析ソフトFemtet®（ムラタソフトウェア）を用いて実験前に確認 – – 現状、キセノン、SUS容器含め全体2mmテトラメッシュでの計算（6mm fのワイヤー空間も） 10mmfのワイヤー等Geometryは完全にできている • 等電位面 • 電場ベクトル →電極のエッジで 放電するかも 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 8 冷却装置、外真空容器 • MOA実験で使用されていたCCD冷却用クライオスタットを改造 – – 液体窒素容器から銅リボンでキセノン容器とヒートリンク キセノン容器の温度をPID制御で銅リボン連結部のカプトンヒーター（30W）にフィードバック 銅リボン 温度計 カプトンヒーター 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 9 冷却実験 • キセノン容器を10-4Paにして冷却し、キセノン容器天部と底部の温度をモニタ – – • 上部(配管が常温部と接続)は冷えず 最大90℃の温度勾配ができてしまった。 ステンレス容器の熱伝導が悪い 0.5tの銅板16枚で上下のヒートリンクを改善 改良前 改良後 • 時間はかかるが、上下温度差解消 – – ‐104℃での温度コントロールも確認 窒素切れで終了 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 10 熱伝導シミュレーション（定常状態） • Femtet®で冷却実験およびヒートリンク導入効果の検証 – • 25.3mmのメッシュ まず、無限時間後の上下温度差 – 境界条件： 外容器 +20℃ 銅リボンの先 -100℃ 改良前 -94.0℃ 改良後 -98.1℃ -100℃ -100℃ • 到達温度が４℃改善 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 11 熱伝導シミュレーション（時間発展） • キセノン容器の底面が-100℃になった時の上面温度 改良後 -56.7℃ 改良前 +1.7℃ -100℃ -100℃ • 改良前 改良後 下面が-100℃に達する時間 1620s 2580s 上面の温度 1.725℃ -56.701℃ 温度差 101.665℃ 43.267℃ おおおそ、再現できている → 新容器の設計に生かす 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 12 まとめ • 大型液体キセノンTPCで、キセノンの特徴である PIDとself shieldingを最大限生かした暗黒物質探 索がしたい • まずは超小型プロトタイプで原理検証するべく努力 している • 電極、クライオスタットは準備完了、最適化したキセ ノン容器を再製作してはやく信号みたい • その先、やはり窒素よりも、冷凍機を準備するべし • プロトタイプとしての球形や円筒形検出器のデザイ ンをするためのシミュレーションの準備も進んでいる 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 13 プロジェクトの今後 • 原理検証 – S1/S2の確認 • 実機を見据えたプロトタイプ 2014 この辺 – 球or円筒? シミュレーションによるデザイン – 冷凍機の準備 • XMASS1+,1.5+ ? 別物？ • もっと一般的な応用？ – 暗黒物質だけでなく、MeVガンマ検出器等 としての一般的応用の検討 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 14 Extra Slides 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 15 キセノン暗黒物質検出器の売り • Self shielding によるBG rejection • Scintillation とIonizationの両方が使える – excitation/ionization比によってPIDしてBG rejection Doke Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) Aprile Phys. Rev. Lett 97(2006) LXe 日本物理学会第69回年次大会 2014年3月30日 関谷洋之 16 Single-phase TPC Before the realization of two-phase detectors, there were many studies focused on charge amplification and proportional scintillation in single-phase LXe. Derenzo , Phys. Rev. A 9 (1974) 2582 Charge gain ~400 LXe LXe Miyajima NIM 134 (1976) 403 Charge gain ~100 IPMU ACP seminar 7/2/2014 H. Sekiya 17 S2 in LXe LXe Benetti NIMA 327 (1993) 203 Masuda NIM 160 (1979) 247 109Cd 22keV was observed Charge gain & proportional scintillation LXe LXe IPMU ACP seminar 7/2/2014 H. Sekiya 18 Why are noble liquids good for WIMP searches? • Large mass/scalability especially Ar ←cost • Large mass number especially Xe →Passive BG rejection: self shielding by fiducialization Noble gas interaction process • Large light yields→low threshold • Purification→low BG • Both scintillation and ionization signals are detectable. • Excitation/ionization ratio provides electron/nuclear recoil separation →Active BG rejection NJT Smith ICRC2013T IPMU ACP seminar 7/2/2014 H. Sekiya 19 Single-phase scintillator • This concept has been realized recently – Also sensitive to ionization, in a sense, through the recombination process – Singlet/triplet ratio differs between nuclear/electron recoil events ←possibility of PSD PMT array S1 Time S1 IPMU ACP seminar 7/2/2014 PSD? H. Sekiya 20 Single-phase TPC • The original concept, but has not been realized yet. – By applying an electric field, electrons produced by ionization can be collected. These can be observed via charge amplification or proportional scintillation with a strong electric field. Charge +HV +HV S2 S2 E S1 - e- e e e- - ee S1 E -HV S2 S1 H. Sekiya Time 21 double-phase TPC • Realized first. Now well-established with several successful implementations – Same as single phase TPC, but if electrons are extracted from liquid phase to gas phase, charge amplification / proportional scintillation become easier with a strong electric field +HV S2 E S1 - e- e e -HV S1 IPMU ACP seminar 7/2/2014 S2 H. Sekiya Time 22