2019 Fiscal Year Research-status Report
Optimizing the XENON Dark Matter sensitivity with Kamioka expertise
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18KK0082
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹田 敦 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (40401286)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
MARTENS Kai 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 准教授 (20535025)
風間 慎吾 名古屋大学, 高等研究院(素粒子), 特任助教 (40736592)
伊藤 好孝 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50272521)
森山 茂栄 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50313044)
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| Project Period (FY) |
2019-02-07 – 2021-03-31
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| Keywords | 暗黒物質 / 中性子バックグラウンド / 反同時計測 / ガドリニウム / 中性子捕獲反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は、XENONnT検出器中性子カウンターの各要素部品の準備および動作試験等を、主にイタリア・グランサッソ国立研究所の地上実験棟内において旅費を有効・適切に使い実施した。中性子カウンターを構成する要素で最も重要となる光電子増倍管をモックアップ水槽内に沈めて、実際に使用される120本(+予備)について1電子光子に対する応答、ゲイン、時間応答、ダークレートなどについての基礎データを徹底して取得した。実験棟から徒歩15分の位置に格安のアパートを借り上げ、現地での研究活動をより経済的かつ効率的に展開するための足場が固められた。たとえ現地に行けない場合であっても、イタリア・ドイツの共同研究者とは毎週テレビ会議を重ねることで研究の推進が綿密に行われている。
また、中性子カウンターの較正に必要なレーザーシステムや、ガドリニウム水中のチェレンコフ光に対する吸収長をモニターするためのシステムの日本国内における設計・組み立てと基本的な動作確認試験が行われた。こられに関しては2020年度に実験サイトでの設置作業が行われる予定である。
日本国内では、引き続き、モンテカルロ・シミュレーションを用いた中性子カウンターの性能評価およびデザインの最適化、較正システムによる装置較正の手法の確立やチューニングされるパラメータの高精度化が、上記の現地モックアップ試験にて取得された光電子増倍管の基礎データも用いながら推進された。並行して、中性子カウンターのガドリニウム水循環装置の具体的なデザインの最適化や、ガドリニウム中に残存するわずかな不純物(放射性不純物およびチェレンコフ光に対する吸収長を悪化させる不純物)が物理結果に与える影響評価などが詳細に行われた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
中性子カウンターを構成する各要素の準備や性能評価試験については順調に進められた。特に現地の地上実験棟において、中性子カウンターで最も重要な光電子増倍管の全数(120本+予備)をモックアップ水槽に沈めての動作試験、基礎データの取得・解析が行われた。データ取得系の構築・ブラッシュアップも進められた。
日本国内においても、中性子カウンターの内壁に敷き詰められる反射材の反射率の測定や、中性子カウンター自身やその他の水タンク内に存在する全ての部材がガドリニウム水中に長期間漬けられることによる溶出試験、特に吸収長に与える影響の評価などが予定通り行われた。ガドリニウム水循環装置についても、配管経路や必要となるフィルター群の仕様の絞り込み、温度・密度・pH・流量等をモニターする各種センサー類の配置方法などの最終デザイン構築が予定通り進められた。中性子カウンターによる暗黒物質探索の感度上昇を評価するシミュレーションコードの開発も継続して行われ、モックアップ試験で得られた光電子増倍管の基礎データも反映させながらより現実に即した評価が行えるようになった。
以上、本科研費で推進される中性子カウンター構築に関しては予定通り順調に進められたが、暗黒物質探索本体に相当するタイムプロジェクション検出器部分の準備が遅れており、暗黒物質探索データ取得の開始が当初予定より半年ほど遅れて開始される見込みである。また2019年度末から新型コロナウィルスの影響でイタリア・グランサッソ国立研究所現地での活動が停止しており、それによる作業の遅延も発生している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は、引き続き新型コロナウィルスの影響で日本からイタリア・グランサッソ国立研究所に出張できない状況がしばらく続く見込みであるため、日本国内において進められるシミュレーションによる装置評価や暗黒物質探索で期待される感度上昇の度合い、系統誤差の洗い出し及び値の精密評価などを徹底して行う。
イタリアへの出張が解禁されたらすぐに現地に駐留する共同研究者と連携しながら、中性子カウンターの設置作業を開始する。まずはカウンターが設置されるステンレス製水タンク内の清掃、とくにチェレンコフ光に対する吸収長を悪化させる原因となる金属さびの化学薬品を駆使した除去および不働態化処理を徹底して行う。そのあと、水タンク中心部にステンレス製支持フレームを構築し、そのフレームに光電子増倍管、反射材およびキャリブレーション装置等を取り付ける。水タンク外では、ガドリニウム水の循環装置本体の設置および水タンクとの配管作業をすすめるとともに、日本で開発されたガドリニウム水中の放射性不純物をリアルタイムにモニターするための静電捕集型の高感度水中ラドン検出器、分光によりチェレンコフ光に対する吸収長を常時モニターする装置等の設置も行う。
暗黒物質探索のコミッショニングランおよび各種キャリブレーションランに合わせて物理データの解析を行い、それまで開発を継続してきたシミュレーションのパラメータチューニングと暗黒物質探索におけるバックグラウンド事象の評価とを合わせることで、世界最高感度での暗黒物質探索を強力に推進する。
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| Causes of Carryover |
2019年度の2-3月期に、イタリア・グランサッソ国立研究所の地下実験サイトにおいて、本研究で準備を進めてきた中性子カウンターの設置作業を開始するために必要な旅費を予算に計上していたが、新型コロナウィルスによる影響でイタリアにおける実験サイトでの準備状況に遅れが生じるとともに、イタリアへの出張自体が自粛を含めて制限される事態となった。それを受けて日本国内において可能な作業を推進するとともに、現地にて作業可能な状況にいる技術者とのTV会議を繰り返すことで対応を進めてきたが、当初予定していた使用額との違いが生じた。
2020年度は、日本国内で可能な準備をさらに進めることで新型コロナウィルスによる制限の解除と同時に現地での作業を速やかに開始することで、遅れを最小限にしながら本研究を推進する予定である。
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