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気液2相型アルゴン検出器による低質量暗黒物質探索

Publicly Offered Research

Project AreaRevealing the history of the universe with underground particle and nuclear research
Project/Area Number 17H05204
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

寄田 浩平  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60530590)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2018: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2017: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
Keywords暗黒物質探索 / アルゴン / 気液2相型 / 真空紫外 / 極低温 / SiPM / 暗黒物質 / 液体アルゴン / TPC / 地下実験
Outline of Annual Research Achievements

最終年度である2018年度は、昨年度に引き続き「高感度2相型Ar光検出器」の開発構築を行った。我々の研究成果により、液体中の電場を上げるとS2/S1によるER事象除去力は向上するものの、低エネルギーでの消光が強く、総合的な除去力は改善しないことが判明した(2本の学術論文を投稿済)。そこで①抜本的な光量最大化、②S2の電場依存性の精密測定と最適化の2点に焦点を当てた。①に関しては、波長変換材TPBの真空蒸着システムの改善と安定化を行ったうえで、蒸着最適量を算出し、PMTを用いて液体Ar中での検出光量を測定した。その結果、世界最大光量である約12pe/keVeeを得ることができた。また、低エネルギー領域での応答を精査するため、中性子とFの散乱由来のγ線や241Amからのγ線を検出器較正に用いることに成功した。さらなる光量増加のため、PDEがPMTの倍ある最新のTSV-MPPCの利用を検討、極低温でも問題なく稼働できることを実証した。今後、20pe/keVee以上を達成する目途をつけることができたことは極めて貴重な成果といえる。②に関してもこれまで先行研究がなかった高電場(3kV/cm)までの応答をモデル化(S1とS2同時フィット)することができた。また関数を外挿することで、低エネルギー領域(10keVnr領域)での消光因子を体系的に算出することに世界で初めて成功した(PRDに投稿済)。また、液体シンチレータを用いた神岡地下施設での環境中性子測定も2年にわたり続けている。2018年度は、とくに内部放射線を削減した測定系を構築し、ノイズが小さい環境でのデータ取得を新たに開始した。総括すると、Ar応答が想定とは異なる困難があったものの、検出器開発、Ar応答特性の精査、探索感度評価等、多くの学術的な成果をあげることができた。

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。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (37 results)

All 2019 2018 2017 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 6 results) Presentation (29 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 8 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Measurement of the scintillation efficiency for nuclear recoils in liquid argon under electric fields up to 3 kV/cm2019

    • Author(s)
      M.Kimura, M.Tanaka, T.Washimi, K.Yorita
    • Journal Title

      Arxiv (submitted to PRD)

      Volume: 1902

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      2018 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Study of Electron Recoil Background Rejection in Double Phase Argon Detector for the WIMP Dark Matter Search2019

    • Author(s)
      鷲見貴生
    • Journal Title

      早稲田大学博士学位論文

      Volume: 2019

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Scintillation and ionization ratio of liquid argon for electronic and nuclear recoils at drift-fields up to 3?kV/cm2018

    • Author(s)
      Washimi T.、Kimura M.、Tanaka M.、Yorita K.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 910 Pages: 22-25

    • DOI

      10.1016/j.nima.2018.09.019

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] easurement of ambient neutrons in an underground laboratory at the Kamioka Observatory2018

    • Author(s)
      Keita Mizukoshi, Ryosuke Taishaku, Keishi Hosokawa, Kazuyoshi Kobayashi, Kentaro Miuchi, Tatsuhiro Naka, Atsushi Takeda, Masashi Tanaka, Yoshiki Wada, Kohei Yorita, Sei Yoshida
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 12 Issue: 12 Pages: 1-13

    • DOI

      10.1093/ptep/pty133

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Study of the low-energy ER/NR discrimination and its electric-field dependence with liquid argon2018

    • Author(s)
      T. Washimi, T. Kikuchi, M. Kimura, M. Tanaka and K. Yorita
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 13 Issue: 02 Pages: C02026-C02026

    • DOI

      10.1088/1748-0221/13/02/c02026

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  • [Journal Article] Status and prospect of the ANKOK project: Low mass WIMP dark matter search using double phase argon detector2017

    • Author(s)
      M. Kimura, K.Yorita et.al.
    • Journal Title

      XV International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics

      Volume: TAUP2017

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    • Author(s)
      寄田浩平
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      木村眞人、寄田浩平他
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      青山一天、寄田浩平他
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  • [Presentation] ガスアルゴン中の電子比例蛍光の波形構造と発光機構2019

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      武田知将、寄田浩平他
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      日本物理学会年次大会
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      田中雅士
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  • [Presentation] 高電圧印加と電場中でのAr応答2019

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      木村眞人
    • Organizer
      アクティブ媒質TPC開発座談会
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  • [Presentation] 光量最大化とMPPC study2019

    • Author(s)
      青山一天
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  • [Presentation] 液体アルゴンによる軽い宇宙暗黒物質探索2018

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      木村眞人
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      T. Washimi
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  • [Presentation] Study of pulse shape discrimination and scintillation/ionization ratio in two-phase argon detector2018

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      T. Takeda
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      XESAT2018
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ar検出器の大光量化に向けた開発2018

    • Author(s)
      青山一天、寄田浩平他
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
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  • [Presentation] ANKOK実験29:気液2相型Ar光検出器を用いた低質量暗黒物質探索2018

    • Author(s)
      田中雅士、寄田浩平他
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      日本物理学会秋季大会
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  • [Presentation] ANKOK実験30:ER/NR分離能力の評価と電場最適化2018

    • Author(s)
      鷲見貴生、寄田浩平他
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      日本物理学会秋季大会
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  • [Presentation] ANKOK実験31:電離信号(電子比例蛍光; S2)の基礎特性と利用可能性2018

    • Author(s)
      木村眞人、寄田浩平他
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
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  • [Presentation] Particle Identification in Double Phase Argon Detector(ANKOK)2018

    • Author(s)
      M. Kimura
    • Organizer
      The 1st KMI School “Dark Matter”
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  • [Presentation] 気液2相型アルゴンTPC2018

    • Author(s)
      寄田浩平
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
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  • [Presentation] Study of the Low-Energy ER/NR Discrimination and its Electric-Field Dependence with Liquid Argon2017

    • Author(s)
      T. Washimi, K.Yorita et.al.
    • Organizer
      LIDINE2017
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Status and prospect of the ANKOK project: Low mass WIMP dark matter search using double phase argon detector2017

    • Author(s)
      M. Kimura, K. Yorita et.al.
    • Organizer
      TAUP2017
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  • [Presentation] 気液2相型アルゴン検出器による低質量暗黒物質探索2017

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      鷲見貴生
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      SMART2017
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  • [Presentation] 暗黒物質探索実験“ANKOK”2017

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      鷲見貴生
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  • [Presentation] 木村眞人、寄田浩平他2017

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  • [Presentation] 矢口徹磨、寄田浩平他2017

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      ANKOK実験21:本検出器に向けた光学過程の理解
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  • [Presentation] 田中雅士、寄田浩平他2017

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      武田知将、寄田浩平他
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      木村眞人、寄田浩平他
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      矢口徹磨、寄田浩平他
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Published: 2017-04-28   Modified: 2019-12-27  

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