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2020 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 / 液体アルゴン検出器 / 地下実験
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。
本年度は研究の集大成として2020年8月に早稲田大学地上で暗黒物質探索実験を行った。
WIMPモデルに基づき質量10 GeVの領域でWIMP-核子断面積で10^-37 cm^2まで探索した結果として検出された事象は背景事象とコンシステントであった。この検出器を背景事象の少ない地下実験室でデータを取得することにより、DAMA領域までの探索が行えることを実証した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (12 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 8 results)

  • [Journal Article] Measurement of emission spectrum for gaseous argon electroluminescence in visible light region from 300 to 600 nm2022

    • Author(s)
      Aoyama Kazutaka、Kimura Masato、Morohoshi Hiroyuki、Takeda Tomomasa、Tanaka Masashi、Yorita Kohei
    • Journal Title

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

      Volume: 1025 Pages: 166107~166107

    • DOI

      10.1016/j.nima.2021.166107

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of a liquid argon detector with high light collection efficiency using tetraphenyl butadiene and a silicon photomultiplier array2022

    • Author(s)
      Aoyama Kazutaka、Tanaka Masashi、Kimura Masato、Yorita Kohei
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 4 Pages: 043H01

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac064

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Measurement of Liquid Argon Response and Direct Dark Matter Search at Surface with A Liquid Argon Scintillation Detector2021

    • Author(s)
      Masato Kimura
    • Journal Title

      早稲田大学 博士論文

      Volume: 1 Pages: 1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Liquid argon scintillation response to electronic recoils between 2.8?1275?keV in a high light yield single-phase detector2020

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

      Physical Review D

      Volume: 102 Pages: 092008

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.102.092008

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 液体アルゴン実験等に使用されるPMT(R11065)の特性2021

    • Author(s)
      櫻井真由
    • Organizer
      日本物理学会大76回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 宇宙線と鉛の反応による中性子生成2021

    • Author(s)
      小津龍吉
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 純度コントロールされたガスアルゴンを用いた中性制動放射成分の測定2021

    • Author(s)
      諸星博之
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 液体シンチレータを用いた神岡地下環境における中性子フラックス測定2021

    • Author(s)
      岩澤広大
    • Organizer
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • Invited
  • [Presentation] 神岡地下における液体シンチレータを用いた環境中性子測定2021

    • Author(s)
      岩澤広大
    • Organizer
      第2回新学術「地下宇宙」若手研究会
    • Invited
  • [Presentation] 液体アルゴンによるNon-WIMP暗黒物質探索に関する考察2020

    • Author(s)
      木村眞人
    • Organizer
      ダークマターの懇談会2020
    • Invited
  • [Presentation] 低質量暗黒物質直接探索のための低エネルギー電子反跳背景事象の理解2020

    • Author(s)
      木村眞人
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」領域研究会
    • Invited
  • [Presentation] (企画)液体Ar光検出器の高感度化: TPB 蒸着技術の最適化と TSV-MPPC Array の実装2020

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      JPS2021年秋季大会
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2022-12-28  

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