XENONnT検出器を用いた電子と弱く相互作用する暗黒物質の探索

• Project Area: What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
• Project/Area Number: 21H05455
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 風間 慎吾 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (40736592)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: アクシオン / 暗黒光子 / キセノン / 暗黒物質 / トリチウム / ダークフォトン / 液体キセノン / 電子反跳

Outline of Research at the Start

XENON1T実験の低エネルギー電子反跳事象の探索では、約3.3σの統計的有意性で予想を超える超過が見つかり、電子と弱く結合する低質量の暗黒物質や太陽アクシオンなど様々な可能性が検討されている。本研究では大型化(1Tの3倍)かつ、低BG化(1Tの1/6)したXENONnT検出器を用いて、低エネルギー電子反跳事象の探索を史上最高感度で行い、1T実験で発見された電子事象超過の検証とその背後に潜む物理の解明を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、宇宙に存在する未知の物質、暗黒物質を発見しその正体を解明することにある。申請者が参加したXENON1T(1T)実験では、低エネルギー電子反跳事象の探索を行ったところ、約3.3σの統計的有意性で予想を超える超過が見つかり、電子と弱く結合する低質量の暗黒物質や太陽アクシオンなど様々な可能性が検討されている。しかし1T実験では、トリチウム(水素の放射性同位体でキセノン検出器中には水や水素の形態で存在する可能性がある)など予期せぬ背景事象(BG)の混入の可能性も排除できず、素粒子標準理論を超えた新たな物理の発見のためには、より信頼度の高い観測が不可欠な状況となっている。
XENONnT(nT)実験は2021年7月に本格的なデータ取得を開始し、2021年11月まで初期観測を行なった。検出器の建設に当たってはゲルマニウム(Ge)半導体検出器を用いたガンマ線スペクトロスコピーやICP-MS質量分析による用いる検出器部材の最適化・選定、さらには蒸留塔を用いたキセノンの純化など、最先端の物理・化学的手法を用いることで、選択的な放射性ラドンの排除を確立した。また、新たな液体キセノン純化法を導入することで、過去実験に比べnT実験は10倍以上のキセノン純度(0.01 ppb)を達成することに成功し、水や水素といった形態で存在する恐れのあるトリチウムを効率的に排除することに成功した。
この結果、過去の実験と比べて背景ノイズを1/5に削減することに成功し、レートにして16事象/(トン・年・keV)と世界最高の極低放射能環境を実現した。また約3ヶ月間の観測データは背景事象からの予測と無矛盾であり1T実験で確認されたアクシオンと思われる信号は見つからなかった。これにより、特に電子と弱く結合する暗黒物質に対し世界で最も厳しい制限を与えることに成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] ミュンスター大学/フライブルグ大学/マインツ大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/シカゴ大学/ライス大学(米国)
• [Int'l Joint Research] LNGS/ボローニャ大学/ラクイラ大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] 精華大学(中国)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/シカゴ大学/ライス大学(米国)
• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所/フライブルグ大学/マインツ大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ストックホルム大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] NIKHEF(オランダ)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] An approximate likelihood for nuclear recoil searches with XENON1T data (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, M. Alfonsi, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A.L. Baxter, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, S.Kazama et al.
  • Journal Title: Eur. Phys. J. C Volume: 82:989 Issue: 11 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10913-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for New Physics in Electronic Recoil Data from XENONnT (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, M. Alfonsi, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A.L. Baxter, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, S.Kazama et al.
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 129 161805 Issue: 16 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.161805
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Double-weak decays of 124Xe and 136Xe in the XENON1T and XENONnT experiments (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, M. Alfonsi, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A.L. Baxter, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, S.Kazama et al.
  • Journal Title: Phys. Rev. C Volume: 106 024328 Issue: 2 Pages: 2-19
  • DOI: 10.1103/physrevc.106.024328
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 222Rn emanation measurements for the XENON1T experiment (2021)
  • Author(s): E. Aprile, ..., Y. Itow, ..., S. Kazama, ..., K. Martens, ..., S. Moriyama, ..., A. Takeda, ..., et. al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Eur. Phys. J. C 81:337 (2021) pp1-14 Volume: C 81:337 Issue: 4 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-08777-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for inelastic scattering of WIMP dark matter in XENON1T (2021)
  • Author(s): E. Aprile, ..., Y. Itow, ..., S. Kazama, ..., K. Martens, ..., S. Moriyama, ..., A. Takeda, ..., et. al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 6 Pages: 063028-063028
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.063028
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for Coherent Elastic Scattering of Solar B8 Neutrinos in the XENON1T Dark Matter Experiment (2021)
  • Author(s): E. Aprile, ..., Y. Itow, ..., S. Kazama, ..., K. Martens, ..., S. Moriyama, ..., A. Takeda, ..., et. al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 126 Issue: 9 Pages: 091301-091301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.091301
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for New Physics in Electronic Recoil Data from XENONnT (2023)
  • Author(s): S. Kazama
  • Organizer: Dark Matter Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First Science Results from the XENONnT experiment (2022)
  • Author(s): S. Kazama
  • Organizer: LIDINE2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct Dark Matter Search with XENON (2022)
  • Author(s): S. Kazama
  • Organizer: UGAP2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] XENONnT実験：初期データを用いた暗黒物質探索結果の報告 (2022)
  • Author(s): 風間慎吾
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] XENONnT実験における初期データ解析の現状報告 (2022)
  • Author(s): 風間慎吾
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Direct Dark Matter Search with XENON (2021)
  • Author(s): 風間慎吾
  • Organizer: セミナー(東京大学RESCEU)
  • Invited