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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
日本物理学会 2002年秋季大会
立教大学
2002年 9月14日
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
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
30km/s
エネルギースペクトルの
“Annual Modulation”
Modulation小さい
Systematicの影響大
暗黒物質はMaxwell 分布
暗黒物質の風
銀河中での回転を利用
暗黒物質はMaxwell 分布
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
有機単結晶シンチレーター
アントラセン
スチルベン
単斜晶性結晶
ab面で劈開
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
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
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
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
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
光電子数の測定
55
Fe5.9keV+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。
σ=0.98 keV
2 p.e / kev
量子効率20%として
10 photons/keV
Energy threshold ≒ 3keV を達成
クエンチングファクターの測定の原理
線源
252
Cf 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。
E
Visible
Quenching Factor
ER
target
252
Cf
EVisible
En
TOF
N
n
ER
A 1 cos
1 A
En
A 1 2 cos
1 A
'
2
2
2
tan n
1
2
2
2
'
En
cos n A cos n 1 En
2
n
TOF
2
2 cos n A cos n 1 En
2
n
2
A sin 2 N
1 A 2 A cos N
2
中性子カウンター
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
結果
炭素の反跳角度が C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
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
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)
dL
S
dE
dx
dE
dx
1 kB
dx
Quenching Factor
S:γによる発光効率
dL
S
dx
dE
dx
kB:消光の割合 (角度依存)
(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
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。
dE dE dE
dx dx e dx n
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。
dE
dE
Se
Sn
dL
dx e
dx n
dx
dE
dE
1 kB e
kB n
dx e
dx n
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。
予想されるスペクトル
Fitting の結果
Simulationによる予想