Transcript ANKOK実験 2：原子核・電子反跳事象の分離能力評価

日本物理学会 2015 年 第 70 回 年次大会
@ 早稲田大学 早稲田キャンパス
2015 年 3 月 23 日（月）
23pCC-4
ANKOK実験 2：
原子核・電子反跳事象の分離能力評価
早大理工 加地俊瑛
五十嵐貴弘，川村将城，木村眞人，鈴木優飛，田中雅士
中新平， 藤崎薫，横山寛至，寄田浩平，鷲見貴生
ANKOK 実験における背景事象分離
電子反跳 ・・・ β線，γ線
原子核反跳 ・・・ WIMP, 中性子
PMT
暗黒物質
Liquid
S1 波形弁別（PSD）を用いた分離
Fast : ~ 6ns
Slow : ~ 1.5 us
anode
二次シンチ光
e e- (S2)
e
Gas
2 つの方法を用いて分離可能
drift
電子反跳
取り出し電場
>3 kV/cm
ドリフト電場
~ kV/cm
原子核反跳
S2/S1 を用いた分離
-
e- e- 一次シンチ光
e
(S1)
原子核反跳
! me
e
cathode
'
電子反跳
気液 2 相型アルゴン光検出器
2015/03/23 (Mon.)
S2
S1
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S1
S2
! me
e'
2
2 相型検出器の改良
 光量の増加（約 5 倍） ・・・ 高 Q.E. PMT，透明電極膜 ITO の導入
 S2 不感領域の排除 ・・・ ライトガイド（石英ガラス）の導入
PMT
PMT
石英ガラス
Grid
Grid
10.1 cm
ED
有感領域
ED
有感領域
Grid
10 cm
Grid
10 cm
4 cm
Grid
S2 不感領域
本講演では，
Grid
石英ガラス
Physics Run PMT
データを前の検出器で取得したものと比較し，
PMT
検出器改良による分離能力改善結果を定性的に示す．
前回の 2 相型検出器
2015/03/23 (Mon.)
今回の 2 相型検出器
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S1 領域： 0 - 5 μs
Physics Run の設定
生波形
Fast
S2 領域： 5 - 150 μs
• 小型 2 相型検出器
• 有効体積：約 1.0 kg
Slow
• 検出光量： 5 pes/keVee
• PMT ： 3 inch × 2 本
S2
PMT
石英ガラス
Grid
Clean Up 前（約 140 keV10
Fast <1000 keVee）
ee< cm
• ドリフト電場： 500 V/cm
有感領域
10 cm
• 取り出し電圧： 4.5 kV
• PMT ゲイン：1.0×106, 2.0×106
• トリガー：上下 PMT coincidence
石英ガラス
PMT
• トリガー閾値：2 mV
今回の 2 相型検出器
2015/03/23 (Mon.)
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Clean Up 前（約 140 keVee< Fast <1000 keVee）
今回
Number of Events
Number of Events
前回
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S1 と S2 が被っている事象の除去
S1 領域
【事象選択条件】
(S1 RMS) < 1.0 μs
S2 領域
15 μs < (Drift Time) < 65 μs
Abs(Δtdrift) < 5 μs
Δtdrift ≡ 上下 PMT の算出ドリフト時間差
事象選択後の PID 分布
S1 RMS ≡ S1 領域の電荷分布の広がり
z-fiducial : 1.5 - 9.5 cm
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多重散乱事象の除去
S1 領域
S11 + S12
【事象選択条件】
S2 領域
0.1 μs < (S2 RMS) < 10 μs
S21
S22
事象選択後の PID 分布
S2 RMS ≡ S2 領域の電荷分布の広がり
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等エネルギー領域での比較（140 keVee 〜 1000 keVee）
前回の 2 相型検出器
NR
今回の 2 相型検出器
ER
NR
ER
光量増加により，PSD・S2/S1 分布の分散を抑制
⇒ 原子核反跳(NR)電子反跳(ER)事象領域の分離能力が改善
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等光量での比較（200 pes < Fast < 300 pes）
前回の検出器（約 700 - 1000 keVee）
今回の検出器
（約 140 - 210 keVee）
S1 + S1
1
2
検出されない
S22
S21
PMT
Grid
Grid
Grid
Grid
Grid
有感領域
γ
S2 不感領域
PMT
⇒ S2 が少なく見える
XENON100 実験での例
arXiv:1207.5988
gamma
2 events
キセノン 2 相型検出器
 XENON100（S2/S1 のみで粒子識別） では最終的に信号領域
に残る最も重要な背景事象の 1 つ．
 ANKOK では今回の検出器改良により，未然に防ぐことに成功．
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PSD 分布の広がり
DarkSide50
ANKOK
現在：DS-50 と同程度の分散
PSD の分散を抑えることが出来れば，
電子反跳事象分離能力が向上し，
エネルギー閾値を下げることが出来る．
⇒ PSD 分散の理解・抑制が重要
80 < S1 < 85 pes
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f90
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PSD 分布の広がりに対する取り組み
要素を切り分け，PSD 分布へ与える影響を評価．
比 Slow/S1 を取っているため，光量の不定性はキャンセル．
アフターパルス〜数％
物理過程
•
一重項（Fast）と三重項（Slow）の割合
⇒ 二項分布に従うと仮定
その他の効果：LET 依存？
検出器特性
e-
<Slow/Total> = 0.5
信号波形の時間電荷分布
<Slow/Total> = 0.8
• PMT 特性（ゲイン，アフターパルス等）
• ノイズ，デジタイゼーション
解析手法
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纏めと展望
 2 相型検出器の改良によって PSD 分布，S2/S1 分布
の分散が大幅に改善．
 さらなる分離能力向上に向け，PSD 分布の広がり理解
に取り組んでいる．
 今後は低エネルギー領域の測定に加え， S2/S1 分布
のモデル化と各種依存性のパラメータ化を行い，シミュ
レーションに組み込んでいく．
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