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スチルベンシンチレーターによる
暗黒物質探索実験
日本物理学会
2003年秋季大会
2003年9月11日
@宮崎ワールドコンベンションセンター・サミット
関谷洋之
井上慶純 清水雄輝 菅沼亘 蓑輪眞
東京大学
暗黒物質と方向感度(動機)
暗黒物質の確実なシグナル
銀河中での地球の回転運動に
基づく暗黒物質の風
今日9/11の風向き
公転30km/s
暗黒物質の風
9:00
15:00
太陽
230km/s
21:00
DARK HALO
(Maxwell 分布)
Ｖ０＝220km/s
方向に感度を持った検出器によって捕らえることができる
スチルベンシンチレーター
発光量が原子核の反跳方向によって異なる。
スチルベン
λmax=410nm
反跳方向//結晶軸c’ で最小
反跳方向┴結晶軸c’ で最大
炭素反跳に対して７％ (30keV－１MeV)
～0°to c’
Sekiya et al., PLB 571 (2003) 132
WIMP wind
38°
42°
地球の自転によって風向きに対する角度変わる
Vearth
～80°to c’
光出力が日変化する
準備実験@神岡地下実験室
5cm φ×5cm stilbene
(113g)
R8778MOD
R8778MOD
Low BG PMT R8778MOD
Dual read out
Triple charge ADC for PSD
放射線シールド
無酸素銅
鉛
ポリエチレン
１０ｃｍ
１５ｃｍ
２０ｃｍ
蒸発窒素ガスによるRnパージ
～1Bq/m3
測定結果
2003年8月16日より1週間
途中でRnパージとまった。。。
20keV以下は
PMTのDark pulse の影響
 ６0 counts/keV/day/kg @ 50keV
測定結果（PSD）
αが見える
γ
スチルベン内のU/Th
Rn由来
n
α
Rnパージ時
10 events/200000sec
スチルベンバルク由来とすると
U ～0.01ppb
Th ～0.03ppb
一方ICP-MSの結果
表面
バルク
U
0.2ppb
< 0.1ppb
Th
1.2ppb
< 0.25ppb
表面が汚れていそうだが、
それだけでは説明できない。
（表面削るのはrisky!!）
PMTのBGへの寄与
R8778 1本あたり （Geによる測定 by Xmass）
U 系列
Th 系列
４０K
６０Co
1.8×10-2Bq
6.9×10-3Bq
1.4×10-1Bq
5.5×10-3Bq
古い鉛に入れてみた
周りに3本置いてみた
Active Shields の導入
NaI(Tl)をPMTとスチルベン結晶の間にいれる。
R8778
5cm φ×5cm
NaI
NaI
252Cfをあてた時のPSD (PMTsingle)
Dark
堀場製作所 Low BG 仕様
Decay time
NaI
Stilbene
R8778
stilbene γ
stilbene n
NaI
230ns
5ns
NaI(Tl)の評価
R8778MODとシールドを用いて測定した。(2日間)
PSDをしてみると。。。
Pb-x
α
αの時定数のほうが早い
α
Contaminationが分かるが、
スチルベンよりレート低い
Active shield用 OK!
Dark Event
R8778MODはDark pulseが多い！
50keV付近まで。。
スチルベンは時定数が
PMTに近くPSD能力低い。
シールド内で結晶を
つけずに得られたスペクトル
ペルチェ素子を用いて-25℃
まで冷やした。
1桁落ちる
Dual 読みだしのコインシデンス
と組み合わせ
R8778MOD冷却特性
青色LED＋fiberの標準光源
スチルベン＋109Cd 22keV
１p.eの光のピーク位置は温度により変化しないことを確認。
量子効率が１０％向上した。Threshold 下げにも効果。
まとめ
神岡でスチルベンを用いた予備実験を行った。
PMT起源のバックグラウンド
NaI(Tl)を導入する。
PMTのDark pulse
PMTを冷却する。
今月末からセットアップ開始。
来月から本測定を開始予定。
Rn濃度の変動
2003年8月16日より1週間
途中でRnパージとまった
10-70hours
(^o^)
run
90-150 hours
(>_<) run
シールド内では日変化が抑えられている
Pulse shape discrimination
Fast gate
Total gate
γ
n
スチルベン
中性子イベントは遅発成分の発光が多い
２つの幅のゲートで積分電荷量を比較
BC501A
本日の光出力変化
ρ0=0.3 GeV/cm, v0=220 km/s, vE=232km/s
Mχ＝５０GeV, σχ-p=1pb