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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