Transcript NEWAGE -- A direction-sensitive dark matter search

NEWAGE
-- A direction-sensitive dark matter search
(New generation WIMP search
with an advanced gaseous tracker experiment)
Kentaro Miuchi
（Kyoto University)
H. Nishimura
T. Tanimori, H. Kubo,
S. Kabuki, K. Tsuchiya,
A. Takada, Y. Okada,
K. Hattori, K. Ueno, S. Kurosawa
A. Takeda (ICRR), H. Sekiya (ICRR)
K. Miuchi
OUTLINE
Direction sensitive DM search
Micro-TPC
NEWAGE surface run
FUTURE PLANS & SUMMARY
K. Miuchi
June11 2007 DBD07
１. Direction sensitive DM search
“WIMP-wind”
detection
PLB 578 (2004) 241
SOLAR SYSTEM
220 km/s
WIMP
V0 =230 km/s
K. Miuchi
The WIMP-wind
WHY “Direction-sensitive” ?
Large mass for exclusion （and indication）
BUT Annual modulation is not enough…
Direction-sensitive for detection
Annual
modulation
WIMP
WIND
γ
F
direction
K. Miuchi
Sensitivities
Goal: Detect the WIMP-wind （2010~）
•
underground・low pressure ( CF4 0.05 bar )・
large volume （1m3 × N）
CURRENT:
•
surface・CF4 0.2 atm ・30cm cube
sensitivity
K. Miuchi
2 micro-TPC (3D tracking device)
23×28×31cm3
Preprints: physics/0701085 K.Miuchi et.al
TPC
TPC
e
GEM(×10)
X readout
（768ch）
Y readout
m-PIC (×5000)
（768ch）
FAGA position encoder Position
K. Miuchi （1536ch）
Feb.
20, 2007
Encoder
APPEAL07
2D imaging device
Takada et. Al. PSD7
m-PIC (gas gain 5000)
•
•
•
400mm pitch
589824 pixels
768+768 readout
TPC
30cm
e
GEM
5mm
m-PIC
GEM (gas gain 10)
140mm pitch
70mm diameter
Large area GEM
(scienergy)
30cm μPIC
(Toshiba)
23cm
K. Miuchi
TPC system
Readout electronics
•
Gas volume
•
•
DRIFT length 31cm
CF4 0.2bar gas
•
•
Kubo et. al.
IEEE/NSS 2005
768 anode + 768 cathode
Digital (LVDS) signals at ASD
(X,Y,T) at the position encoder
for tracking
gas volume
TPC system
100MHz, pipeline
ASD
+
Summed analog signal
K. Miuchi
ENCODER
Feb. 20, 2007 APPEAL07
for energy
Proton tracks
TPC performance 1:
nuclear tracks, imaging
30cm
252Cf
n
CF4+C4H10 (9:1) 0.2 atm
Z(drift)
n -> p forward scattering
(emulation of WIMP -> F scatterings)
0cm
15cm
-15cm
X
252Cf
CF4+C4H10
252Cf run
（NE45°
zenith35°）
n
q
p
0
Cos q
1
direction
image
Jan 27, Recoil
2007 3rd
MPGD workshop
15cm
-15cm
Y
TPC performance 2: gamma-ray rejection
energy length correlation
gamma-rays from 137Cs
neutron（BG）
K. Miuchi
neutron（BG）
gamma-ray rejection（continued）
spectrum, BG subtrucction
Energy spectrum
Subtracted energy spectrum
thick: 137Cs run
hatched: no source
neutron
（BG）
•
consistent with 0
（>100keV）
gamma rejection ＜ 2e-4 （statistics limited）
K. Miuchi
TPC performance: nuclear track efficiency
neutrons from 252Cf
•
K. Miuchi
0.4 @ 100keV
June 11, 2007 DBD07
3 Surface run
Surface run①
2006 Nov.1st ~ Nov.27th
exposure 0.15 kg days (=0.0089kg ×16.7days)
@Kyoto university (N35.03 E135.783）
Energy spectrum（conventional method）
Energy spectrum
K. Miuchi
Surface run ②
The sky map (by nuclear recoil tracks)
flat neutron background is seen
North sky view seen by C and F nuclei
(100-400keV)
DM direction
K. Miuchi
Surface run ③
Cosθ distribution
consistent with a
flat distribution
DM limit
Cosθ分布
(100-400keV)
WE ARE HERE
First step to the
NEWAGE
Jan 27, 2007 3rd MPGD workshop
4 Next step…
Go underground
Kamioka
Kyoto
JUST started
Osaka
KAMIOKA LAB-B
2006/12/12
KAMIOKA LAB-B
K. Miuchi
2007/1/19
Jan 27, 2007 3rd MPGD workshop
SUMMARY
μTPC：30cm cube in operation
direction-sensitive method works!
NEWAGE：underground run just started
K. Miuchi
TPC performance ②
stability
Drift velocity:
fast drop
⇒ slow decrease
after 1 day
gain,
energy resolution ：
stable within the
systematic error
2006年11月17日
K. Miuchi
検出器応答
エネルギー校正
•
•
•
•
•
ガラスに蒸着した10B ( 厚さ0.6μm )
ドリフトケージ内部にセット、外から252Cfの中性子を減速して照射
10B(n,a)7Li 反応 (Q=2.70MeV 1.8MeV for a)
原子核による校正、低エネルギーへの線形性は別途確認示す必要あり
現状では、校正には6時間程度、見せれる絵には12時間程度かかっている
XYイメージ
スペクトル
keV
エネルギー vs 飛跡長
スペクトル
(GEANT4）
a
a+Li
K. Miuchi
2000
keV
検出器応答
位置分解能から角度分解能
•
•
アルファ線の飛跡を直線フィット、残差を求める：0.8mm
BG runのC,F recoilでの 飛跡長 / (nhit-1) = 1mm (サンプリング密度)
•
•
•
K. Miuchi
上記二つのパラメータをもちいて
simulation振る。
NHIT=3 で直線FITすると左の様にな
る。
ローレンツィアンでFITして、
γ=25°(=HWHM)
検出器応答
エネルギー分解能
•
•
•
•
•
高エネルギー（5-8MeV）ではラドンのピークを使ってモニタ
40％FWHM
これは検出器固有の数字（ゲインのばらつきが効いている）
低エネルギーでは、以前のArでの実測60％FWHM@60keV
これが電子数統計とすると、
W値、エネルギーで外挿すると、60×sqrt((54/26)×(60/100))
= 70％FWHM @100keV
60%@59.5keV
K. Miuchi
TPC performance (with Ar+C2H6 gas)
Gas gains
•
operation gain for MIPs ~50,000
Gain curves
Gain uniformity
•
Maximum / minimum = 2.2
Gain map
K. Miuchi
K. Miuchi
June 11, 2007 DBD07
Preprints: physics/070118 K.Miuchi et.al
TPC performance① tracking
400mm digital “HIT” ( for tracking)
+ summed analog ( for energy)
X,Y image
F,C tracks
Z projection
30cm
trigger
n
Z(drift)
252Cf
15cm
0cm
-15cm
X
Y
15cm
cm
30
Trigger：z=0
-15cm
Fidutial 24×21.5×31cm3
F 500keV 5~6mm
(CF4 （statistics
8.9g)
• gamma
rejection
＜
2e-4
limited）
in 0.2atm CF4
K. Miuchi
FLAT response
シミュレーション
データ
sim
測定値
測定値
Input: エネルギーBIN、絶対検出効率
検出器の
方向依存感度マップ
「DMの風」
Input: エネルギー分解能、角度分解能、
WIMP質量、エネルギーBIN
WIMP質量、エネルギーBIN
ごとに用意
=
比較
クロスセクション
×
sim
For given WIMP質量、
反跳エネルギー
sim
Expected cosθ分布（DM）
K. Miuchi
Expected 「DMの風」
K. Miuchi
June 11, 2007 DBD07
Spectra
•
Energy spectra from the whole volume
(with energy corrections)
241Am
109Cd
133Ba
Cu-Ka,b
Cu-Ka,b
Cu-Ka,b
8keV
Cs-Ka,b
31keV
59.5keV
Ag-Ka,b
22.2+24.9keV
Energy resolution
linearity
60%@59.5keV
Jan 27, 2007 3rd MPGD workshop
Particle Tracking
Cosmic ray muons
Protons (~2MeV)
Neutrons
（252Cf）
Electrons (~100keV)
511keV g‘s
（22Na）
30cm
Jan 27, 2007 3rd MPGD workshop
muons
3D Spatial resolution
•
•
Residual (long drift)
Fit muon tracks with straight lines
plot the residuals
2
  2mm
Fitted line
data
Drift length
2
r2
r exp( - 2 )
2
residual
r [cm]
data
 dependence on drift length
m-PIC
2
2
2
 2   detector
+  diffusion
  detector
+ (D l )2
Residual (short drift)
2
2
r2
r exp( - 2 )
2
Residual muon
tracks
  1mm
r [cm]
Jan 27, 2007 3rd MPGD workshop
 detector  0.51mm
D  0.37mm/ cm
ｌ [cm]