2017 Fiscal Year Annual Research Report

Development of a direction sensitive dark matter detector with anisotropic-response scintillators via bolometric readout

Research Project

Project/Area Number	17H02884
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	関谷洋之東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (90402768)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	山路晃広東北大学, 金属材料研究所, 助教 (20779722)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	暗黒物質 / シンチレータ / ボロメータ / 素粒子実験 / 宇宙線
Outline of Annual Research Achievements	今年度は、極低温熱量計型検出器で試験することを念頭に既存のホルダーの収まるサイズの1㎝角のウクライナ製ZnWo4の結晶についての評価をすすめた。まず、東北大において、発光量、透過率、発光波長などの光学的評価を行った。結晶のカットの向きと結晶軸の関係を確認するとともに、ZnWO4が複屈折を示すことと、光学軸と結晶軸の関係を理解するに至った。異方性の由来に結び付く事実と思われ、引き続き、複屈折を示す単斜晶系結晶の探索を進めていく。そして241Amからの5.5MeVのα線を照射して、異方性を評価したところ最大で8％程度の差があることを確認した。この結晶について、韓国KAISTにある二重ベータ崩壊探索実験AMoREの材料スクリーニング用核断熱消磁冷凍機を使用して、Metallic magnetic calorimeter(MMC)を用いた読み出しを行った。具体的には、ZnWO4結晶の光学面でない1面に直接蒸着した金フィルムにMMCを取り付けphononセンサーとして動作させ、また結晶から離したGe基板を光吸収体として用い、そこへMMCを取り付けphotonセンサーとして動作させた。ZnWO4の光学軸と平行な2面に210Poからの5.3MeVα線と148Gdからの3.2MeVのα線を照射してその応答を測定したのち、二つの面を入れ替えて再度測定を行った。2回の測定発光量の非線形性から、14%程度の発光量の異方性を確認した。40mKの低温で発光量が増えると同時に、異方性も増大していることは、本研究を進める上で非常に有利になるであろう。一方、低バックグラウンド化を見据え、Czochralski法により、半インチサイズのZnWO4結晶の育成を行った。炉内の温度勾配、育成雰囲気、ロッドの回転速度、引き上げ速度等の結晶育成条件の検討を行った。本年度は特にZn2+サイトをMg2+に置換した（Zn1-xMgx）WO4結晶の育成に取り組み、これに成功した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 今年度は、軸出しした結晶に対し、極低温に冷却して、極低温熱量計型検出器として動作させることを目標としていた。しかし、結晶への金蒸着やワイヤーボンディングが思いのほかスムーズに進展し、結晶2面へのα線照射が実現し、異方性の確認まで進めることができた。
Strategy for Future Research Activity	今後は、新たに製作した、結晶軸とカット面が一致しているロシア・二コラエフ研究所製の結晶を用いた評価を行っていく。まずは中性子を用いた結晶バルクでの原子核反跳を測定して発光量の異方性を確認する。より低エネルギー領域の原子核反跳測定については、2.5MeVの単色中性子発生装置であるDD generatorが韓国KAISTで使用できる見込みであり、低温における測定と合わせて計画している。