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暗黒物質検出のための
方向感度を持った検出器の開発
素粒子物理国際研究センターシンポジウム
２００２年 ２月１９日
関谷洋之
東京大学理学系研究科
白馬
暗黒物質の検出方法
暗黒物質と検出器中の原子核との弾性散乱を利用
予想されるEnergy スペクトル
熱平衡状態
dR

 0 F 2 ( ER )
dE R
2
mr mD

f v  

  v
exp  
3
v

2 3
  0
 v0

 vmin  vE
 0 erf 
v0


 0 : cross section(ze ro momentum transfer)
 0 : DM density
暗黒物質の分布
1




2





 vmin  vE
  erf 


v0


F : Form factor
vE : Eerth velo city
原子核による違い
R : count rate
E : recoil energy
R
m : target mass
m : reduced mass
地球の公転による違い
mD : DM mass
vmin
 ( mD  mT ) 2
 
ER

T
r
1/ 2




を仮定
からスペクトルの差を見る
証拠




原子核による違い
Spin coupling
Neutralinoの場合
Scalar Coupling
2
4mr
0 

Zf
p
 A  Z  fn

2
f p ( n ) : χ  proton(neu tron) coupling
A : mass number
Z : atomic number
Spin Coupling
0 

32

GF mr  J  J  1
2
2
2
  a p S p  an S n
/ J
a p ( n ) : χ  proton(neu tron) spin coupling
同じ条件で実験するのは難しい
地球の公転による違い（Annual Modulation）
Galaxy rotation
220km/s
地球の公転
DMは一様分布
30km/s
Modulationは小、systematic
の影響大
確実な大きな特徴
暗黒物質の風向き
検出器中の原子核の反跳方向Ω(γ,φ)でみる
dR
d cos 

 0 0
mD mT

  vE cos   vth 
 (vE cos   vth ) 2 
v0
vE cos  erfc 
  1/ 2 exp 

2
v

v
0
0





 : laboratory recoil angle
vth
 ( mD  mT ) 2 Eth

2

2mD mT

Exclusion plot
Maxwell分布を仮定
1/ 2




Eth : enrgy thre shold
アントラセン
Carbon Recoil
BG 1 count/keV/day/kg
前方と後方で４倍以上の差
有機単結晶シンチレーター
アントラセン
中性子入射に対し 最大３０％の変化
スチルベン
1.9MeV
単斜晶性結晶
3MeV
ab面で劈開
D.B.Oliver,G.F.Knoll,IEEE Trans Nucl. Sci. NS15(1968)122
シンチレーション効率に角度依存性がある
利用方法１：
結晶軸を暗黒物質の風向きにあわせる
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。
アントラセン
Carbon recoil
利用方法２：Scintillating bolometer
Phononとphotonの同時測定
T 
ER
CV
CV 
12
5
4
T 
Nk B  

3
Θ:Debye 温度
アントラセン
～100K
動作可能
シンチレーション効率の角度依存性
重荷電粒子でのみ発光量変化（e,γでは変化）
反跳原子核では変化
クエンチング（消光）が角度依存する
の測定が必要
Birksの式（荷電粒子によるエネルギー損失と発光量の関係）
dL
dE
S:γによる発光効率 dx
dE
反跳原子核
dx
S
dL
dx
反跳エネルギー

dE
kB：消光の割合 角度依存
dx
1  kB
反跳角度
による
dx
S
γ（電子反跳）による発光量に対する割合
Quenching Factor スチルベンについて測定した
スチルベンシンチレーターの特徴
NaIの３０％発光量
最高放出波長 410 nm
減衰定数 4.5 ns（即発）
分子性結晶で脆い
Pulse shape discrimination が
可能
5.3MeV α入射に対し
H.Heckmann et.al. Z.Phys 165(1961)12
 c’軸方向発光量最小
 b軸（c’に対し９０°）最大
最大３０％の変化
クエンチングファクターの測定の原理
線源（２５２Cf）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
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
方法 CAMAC-DAQ
Charge ADCを用いたPulse shape discrimination
PSD用の液シンBC501A
反跳後のTOFのみ（諸般の事情により。。。）
最初のCADC出力でTrigger
2つのCADCを用いた
２ゲート法
Pulse shape discrimination
中性子イベントは遅発成分の発光が多いことを利用
Fast gate
Total gate
γ
n
スチルベン
２つの幅のゲートでの
積分電荷量を比較
BC501A
結果
Event selection
TOFによるカット（γコンプトンイベント）
スチルベンとBC501AでのPSD
BC501Aの出力エネルギー＜反跳後のTOFから計算したエネルギー
Proton recoil
スチルベン－BC501A間 ＝ ６０ｃｍ
 n  30o （c’に対し６０°）
本来は反跳前後のTOFから
selectionすべきだが。。
Quenching factor
 n  60o
（c’に対し３０°）
以前オシロスコープ
で測定した結果
（c’に対し９０°）
c’に対し大きい角度で反跳したほどQ.Fも大きい
＞３０％＠７５０keVの変化 （昔のαの実験とconsistent）
Carbon recoil
 n  120
o
（c’に対して６０°）
見える
見える
角度依存性も
見える
もう少しthreshold下げてから。。。
今後の予定
低エネルギー領域（１００keV以下）で精度良く測定する必要
特にcarbon recoil
High impedance, Low threshold discriminator (CAEN N417)
Ultra low walk constant fraction discriminator (ORTEC 935)
２つのPMTを用いたself-coincidence
dark current 減少、集光量増加
加速器を用いて単色中性子ビームで測定
立教大 コッククロフトウォルトン加速器
候補
300keV/1価 D(d,n)He(Q=2.5MeV)
東工大 タンデムペレトロン加速器
3MeV/1価 Li(ｐ,n)Be(Q=ー１．６MeV)
パルスビーム
そして
暗黒物質の分布（ハローモデル）の検証
銀河中での地球の動きの詳細
その動きに合わせた駆動系の開発
向ける結晶軸によりスペクトルの変化をみる
暗黒物質探索実験
発見
おしまい