Development of low mass dark matter detector

• Project Area: Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research
• Project/Area Number: 17H05197
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山下 雅樹 東京大学, 宇宙線研究所, 特任准教授 (10504574)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 暗黒物質 / タイムプロジェクションチェンバー(TPC) / 液体キセノン / 低バックグラウンド / 液体キセノン検出器 / 宇宙線

Outline of Annual Research Achievements

宇宙暗黒物質の正体は、宇宙論と素粒子論から両立するWIMPミラクル説が有望であるが、XENON1T, LUXなどによる大型暗黒物質直接検出器やLHCでは、依然として暗黒物質の兆候は見えていない 。したがって、今後暗黒物質探索は、もっと視野を広げ、大きな網を用意し探索して行くべきである。TeVスケールに加え、Asymmetric dark matter、暗黒光子などに動機づけされる数GeVより小さい領域も探索も望まれる。本研究では新しい2相型キセノンTPC を提案し、極低エネルギーのバックグラウンドを抑え、感度を上げるための研究開発を目的とする 。このために、次の課題を解決する小型TPC を製作し、実証を行った。過去の実験により、本絵研究の目指す電離電子数個以下のエネルギー領域の主なバックグラウンドは(1) TPC 内材料からの VUV 光による光電子発生 (2) ガス領域での事象、と考えられている。(1)の原因は、PTFE や金属(電極),不純物に液体キセノンシンチレーション光(VUV)が光電効果を起こす。これを解決するために有感領域内をVUV 光を通す石英光学窓で囲んだ。バックグラウンドは液体キセノン中の不純物依存することが確認できたが、PTFEと石英でのバックグラウンドの違いは、大きな差異が見られず、より詳細なTPCの壁際の事象の理解が必要なことが考えられる。(2)を解決するために本申請書で初めて提案するGlass based Mesh electrode (GMesh)を製作した。これは石英窓に格子状メッシュを取り付け電極としたものである。このとこで、ガス相での事象を防ぐことができた。これらの課題をクリアするために低バックグラウンド地下実験にも可能性を秘めたMPPCと PMT を用いた小型 TPC を製作し、動作確認することに成功した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IBS/KRISS(韓国)
• [Presentation] Quartz Chamber for Future Dark Matter Search with Xenon Detector (2019)
  • Author(s): K.Sato・M. Yamashita et al. for the XMASS collaboration
  • Organizer: Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極低閾値電離信号を用いた質量の小さい宇宙暗黒物質探索検出器開発研究 (2019)
  • Author(s): 山下雅樹
  • Organizer: 第五回極低放射能技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 石英容器を用いた2相型キセノンTPCの開発 (2019)
  • Author(s): 佐藤和史・山下雅樹 他XMASSコラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 石英容器を用いた2相型キセノンTPCの開発 (2018)
  • Author(s): 佐藤和史・山下雅樹 他XMASSコラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 極低閾値電離信号を用いた質量の小さい宇宙暗黒物質探索検出器開発研究 (2018)
  • Author(s): 山下雅樹
  • Organizer: LBGT2018 (Low BackGround Technique 2018)
• [Presentation] XMASS実験:暗黒物質探索の将来へ向けた 開発研究 (2018)
  • Author(s): 山下雅樹
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 極低閾値電離信号を用いた質量の小さい宇宙暗黒物質探索検出器開発研究 (2017)
  • Author(s): 佐藤和史
  • Organizer: 宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究領域研究会
• [Remarks] Yamashitas's page
  • URL: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/~yamasita_s/index.html
• [Remarks] XMASS page
  • URL: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/xmass/
• [Remarks] XMASS home page
  • URL: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/xmass/
• [Remarks] Yamashita's Page
  • URL: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/~yamasita_s/index.html