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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Low Mass Dark Matter Search using High Performance Liquid Argon Detector

Research Project

Project/Area Number 18H01234
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

田中 雅士  早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (30545497)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords暗黒物質 / 液体アルゴン / MPPC / SiPM
Outline of Annual Research Achievements

暗黒物質の直接検出は現在の素粒子・宇宙物理学の最大の課題のひとつであり、WIMP(Weekly Interactive Massive Particles)モデルに基づき世界中の多くのグ
ループが探索実験を行っている。中でも質量~10GeVc 2 、断面積~10 -41 cm 2 付近では、発見を主張する実験(DAMA、GoGeNT等)と棄却する実験(XENON等)が混在し大きな注目を集めている(DAMA領域)。本研究の目的は、液体アルゴン(Ar)を標的とした検出器によりDAMA領域を探索することにある。
液体 Ar は液体窒素より少し高い沸点 87K を持ち、密度 1.4 g/cm 3 の無色透明の液体である。Ar は大気中において窒素・酸素に次いで 3 番目に多く含まれる気体であり比較的安価なため検出器の大型化に有利である。液体 Ar 検出器の顕著な特徴としては荷電粒子の通過により“シンチレーション光”と“電離電子”の2種類の信号が生成されることにある。二つの信号を組み合わせることにより液体 Ar 検出器は非常に強力な粒子識別能力を持ち、暗黒物質による信号事象と背景事象(主にβ線)の分離が可能となる。この分離性能はArシンチレーション光(波長 128 nmの真空紫外光)の検出効率に大きく依存するため、本研究ではその向上に取り組んだ。
2019年度は従来の光電子増倍管(約30%)より優れた光検出効率を持つシリコン光検出素子(MPPC、約50%)を用いた小型プロトタイプ液体Ar検出器を製作し、2020年1月に行ったテスト実験において、従来よりも2倍近く向上した世界最高のシンチレーション光検出効率(約20 光電子/keV)の達成に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

波長128nmの真空紫外光であるArシンチレーション光に直接感度を持ち、しかも液体Ar温度で駆動可能な光検出素子は非常に限られている。そのため、まず波長変換剤を用いて可視光に変換する必要がある。今年度はこの変換手法の最適化を行った。
波長変換剤としてはTPB(Tetra-N-phenylbenzidine)を採用し、128nm光を420nmに変換する。新たに開発した真空蒸着装置により蒸着手法の再現性を高め、蒸着条件を変化させながら最も変換効率の高くなる条件を決定した。
従来の光電子増倍管より高い光検出効率をもつシリコン光検出器(MPPC)を用いた小型プロトタイプ検出器により従来よりも2倍近く向上した世界最高のシンチレーション光検出効率(約20 光電子/keV)の達成に成功した。

Strategy for Future Research Activity

暗黒物質探索の基礎開発は完了し、2020年度は探索実験のための本検出器を製作し早稲田大学地上の実験室においてデータ取得を行い暗黒物質探索実験を行う。探索にあたってはガンマ線や中性子を遮蔽するためのシールドを構築することにより背景事象を削減する。取得データを解析し、物理結果を国際学会及び学術論文に公表する。

  • Research Products

    (18 results)

All 2020 2019

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 8 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Status and prospect of the ANKOK project: Low mass WIMP dark matter search using double phase argon detector2020

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

      J.Phys.Conf.Ser.

      Volume: 1342 Pages: 012069

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1342/1/012069

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Measurement of the scintillation efficiency for low energy nuclear- and electronic-recoils in liquid argon detector for WIMP search2020

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

      J.Phys.Conf.Ser.

      Volume: 1468 Pages: 012055

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1468/1/012055

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Measurement of liquid argon scintillation and ionization response on nuclear recoils under electric fields up to 3 kV/cm2020

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

      Journal of Instrumentation

      Volume: 15 Pages: C03042

    • DOI

      10.1088/1748-0221/15/03/C03042

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Study of luminescence mechanism by neutral bremsstrahlung in gaseous argon2020

    • Author(s)
      T. Takeda, M. Tanaka and K. Yorita
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 15 Pages: C03007

    • DOI

      10.1088/1748-0221/15/03/C03007

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Study of luminescence mechanism by neutral bremsstrahlung in gaseous argon2020

    • Author(s)
      Takeda T、Tanaka M、Yorita K
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1468 Pages: 012053~012053

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1468/1/012053

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Increasing light collection efficiency of liquid argon detector for low mass WIMP search2020

    • Author(s)
      Aoyama Kazutaka
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1468 Pages: 012034~012034

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1468/1/012034

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Studies on liquid argon S1 and S2 properties for low mass WIMP search experiments2020

    • Author(s)
      Masashi Tanaka, Kazutaka Aoyama, Masato Kimura, Tomomasa Takeda and Kohei Yorita
    • Journal Title

      J. Phys.: Conf. Ser.

      Volume: 1468 Pages: 012052

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1468/1/012052

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [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, and K.Yorita
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 100 Pages: 032002

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.100.032002

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Measurements of argon-scintillation and -electroluminescence properties for low mass WIMP dark matter search2020

    • Author(s)
      Masato Kimura
    • Organizer
      INSTR2020
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Study of luminescence mechanism by neutral bremsstrahlung in gaseous argon.2020

    • Author(s)
      Tomomasa Takeda
    • Organizer
      LIDINE2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ガスアルゴン中の中性制動放射の詳細特性2020

    • Author(s)
      武田知将
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
  • [Presentation] Studies on liquid argon S1 and S2 properties for low mass WIMP search experiments2019

    • Author(s)
      Masashi Tanaka
    • Organizer
      TAUP2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ANKOK実験(低質量暗黒物質探索)シンチレーターとしての液体アルゴン2019

    • Author(s)
      田中雅士
    • Organizer
      SMART2019
    • Invited
  • [Presentation] Measurement of liquid argon scintillation and ionization response on nuclear recoils under electric fields up to 3 kV/cm2019

    • Author(s)
      Masato Kimura
    • Organizer
      LIDINE2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ANKOK実験33:37Ar事象等を利用した低エネルギー電子反跳事象の発光特性2019

    • Author(s)
      木村眞人
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Presentation] 気液2相型アルゴン光検出器の研究開発2019

    • Author(s)
      木村眞人
    • Organizer
      MPGD&TPC合同研究会
  • [Presentation] 地下環境中性子測定のための6Li添加プラスチックシンチレータの特性評価2019

    • Author(s)
      小津龍吉
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Presentation] ガスアルゴン中の中性制動放射による新たな発光成分2019

    • Author(s)
      武田知将
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会

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Published: 2021-12-27  

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