2017 Fiscal Year Annual Research Report
A large-scale darkmatter direct-detection experiment
| Project Area | Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research |
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| Project/Area Number |
26104004
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岸本 康宏 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (30374911)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梁 炳守 東京大学, 宇宙線研究所, 特任助教 (10626055)
小川 洋 東京大学, 宇宙線研究所, 特任助教 (20374910)
小林 兼好 東京大学, 宇宙線研究所, 特任助教 (70466861)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 暗黒物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，XMASSを用いた暗黒物質の探索と次世代大型暗黒物質探索装置の開発・研究の２つをテーマとして研究を行っている．
前者に関して，本年度は２つの大きな成果を挙げた．１つ目は，2.7年分のデータを用いた季節変動による暗黒物質探索である．この探索では，先行実験であり，暗黒物質事象の発見を主張するDAMA／LIBRAを統計にして３σで否定した．DAMA／LIBRA実験は，標準的な暗黒物質モデルによる季節変動を主張しているが，我々の実験やまた他実験の結果と総合すると，DAMA／LIBRAの季節変動を標準的な暗黒物質モデルとして理解することは不可能と言え，大きな成果である．
２つ目の成果は，XMASSでバックグラウンドを考慮した有効体積解析による，暗黒物質探索結果である．XMASSのような１相型の検出器では事象再構成によってバックグラウンドと信号の識別を行う事が重要であるが，この点に注力して解析した．その結果，光電子増倍管近傍での事象を除去しきれなかったものの，60 GeVの暗黒物質に対して2.2E-24 cm2 の制限を課した．この他，カルツァ・クライン アクシオンの探索など暗黒物質の他，様々なエキゾチックな素粒子仮説に対し，XMASSと言う大型検出器のデータを用いて探索を行った．
後者の次世代暗黒物質探索については，一層式キセノンTPCの開発，二層式キセノンTPCを石英容器中に導入する研究・開発，新型光電子増倍管の開発を主に行った．新型光電子増倍管開発では，液体キセノン中でのガス漏れについて原因はほぼ究明できたと考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では，（１）XMASSを用いて暗黒物質探索を遂行する，（２）次世代の暗黒物質探索実験の開発・研究を行うという２つの目標を掲げて，研究を遂行している．
（１）に関しては，先行実験であるDAMA/LIBRAの結果に対して，同じ素過程で同じ手法，つまり，粒子識別無しのシンチレータを用いて季節変動事象を観測することによって大統計で検証し，それを否定した（３σ）．他実験の結果では，解釈の仕方に議論の余地の残る部分があるが，この点我々の成果は直接比較出来るものである点，そしてXMASSだけが唯一，DAMA/LIBRAと同等の統計で検証している点を強調したい．また，暗黒物質では，WIMPsと呼ばれる標準的な暗黒物質の他にも探索の範囲を拡げることに成功している．更には，暗黒物質以外にも，XMASSの特徴である，大体積・低バックグラウンドを活かし，二重電子捕獲事象の探索など多くの物理成果を挙げている．（２）に関しては，研究開発当初から継続していた超低バックグラウンド新型光電子増倍管では，問題点の洗い出しを終えることが出来，最終年度に向け，成果が期待される．また，全く新しい試みとして，一層型キセノンTPC，石英容器内包式の二層型キセノンTPMの開発を精力的に進めている．前者は大型化，後者は低バックグラウンド化／低閾値化に対して，非常に大きなインパクトを持っており，これらの開発・研究も最終段階にある．
以上述べてきた点から，当初計画以上の成果を挙げていると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では，（１）XMASSを用いて暗黒物質探索を遂行する，（２）次世代の暗黒物質探索実験の開発・研究を行っている．これまで両者は順調に進んでおり，次年度もこの方針で研究を継続する．
（１）では，特にXMASSの低閾値化データを用いた暗黒物質解析，粒子識別を用いたキセノン励起反応を用いた解析などを遂行する予定である．低いエネルギーまでデータを利用すると，より小さい質量の暗黒物質に感度を持つことが出来る．またキセノン励起反応を用いた解析では，通常のWIMPと異なり，スピンに依存した相互作用を持った暗黒物質に対して高感度である．我々がこれまでに開発した粒子識別の手法を用いることで，より高感度の探索が実行出来ると期待している．
この他，WIMP以外の暗黒物質（Hidden Photon/ALP）の探索，二重電子捕獲事象の探索を大統計を活かして遂行する．更に，重力波天体事象と相関のある事象探索をすすめる．これは，大型暗黒物質検出器が，マルチメッセンジャー観測網の一翼を担う最初の例となるので，精力的に進めたい．
（２）では，新型光電子増倍管が液体キセノン中で真空度が低下する，という問題に対して決着を付ける予定である．この問題は他実験でも報告がなされており，次世代の実験ではこの点を解決した光電子増倍管を提供したい．また，一層型キセノンTPC，石英内包型の二層式キセノンTPCではテスト機による結果が出始めているため，実験を継続し，その有効性を確認する．特に，一層式TPCでは粒子識別の可能性，石英内包型TPCでは，低閾値化の可能性について研究を継続する．
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[Presentation] XMASS experiment2017
Author(s)
A. Takeda for XMASS Collaboration
Organizer
The 3rd International Conference on Science, Application, and Technology of Xenon Radiation Detectors
Int'l Joint Research
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