2022 Fiscal Year Annual Research Report
Study of new physics with electron-recoil events in the XENONnt and further breakthrough with a hermetic liquid xenon TPC
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21H04466
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
伊藤 好孝 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50272521)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 雅樹 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任准教授 (10504574)
風間 慎吾 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (40736592)
森山 茂栄 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50313044)
小林 雅俊 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 学振特別研究員(PD) (50824059)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 暗黒物質 / 液体キセノン / 地下宇宙線実験 / 非加速器素粒子物理学 / アクシオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はXENONnT実験の初期成果２件を公表し、暗黒物質探索について大きな進展があった。
前身のXENON1T実験が2020年に報告した低エネルギー電子反跳事象の超過について、 XENONnT実験での初期データSR0による検証を行った。内部ラドン由来の電子反跳バックグランドをXENON1T実験の1/5に削減することに成功し、約１トン年の観測データを用いた結果、XENON1T実験が示唆した電子反跳事象の超過を否定する結果を得、アクシオンなど新物理に対する強い制限を得た。この結果は本年度7月にXENONnTからの初めての物理成果としてプレスリリースされた。さらにSR0データでの、原子核反跳による重い暗黒物質探索を行ったが、有意な証拠は見られなかった。背景事象削減の効果により、XENON1T実験と同程度の統計量ながら感度を1.7倍改善し、暗黒物質と核子とのスピン非依存型散乱断面積の90%上限値として2.58x10**-47cm**2を得た。この結果について本年度３月プレスリリースを行なった。
密閉型TPCの開発としては、石英フランジ容器を使わず、テフロン円筒と光電子増倍管ガラスの熱膨張率の違いを利用し、低温で密閉する方式をドイツ・フライブルグ大が開発しており、共同で密閉型TPCの開発を進める事になった。この共同研究を軸とした暗黒物質国際創生ユニットが名大学内の最先端国際研究ユニットとして採択され、９月より活動を開始した。
一方、石英導電薄膜コーティング電極開発に向けて、プラチナ、ステンレス、フッ化マグネシウムの素材について、真空紫外光に対する量子効率測定を、真空、気体・ガスキセノンの３雰囲気中で、強電場を印加しながら行なった。その結果、フッ化マグネシウムが最も低い量子効率を持ち、キセノンシンチ光自身が原因の背景光電子放出を抑える部材として有力である事がわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
XENONnT実験での暗黒物質探索について、電子反跳背景事象の大幅な削減が功を奏し、予定ドリフト電場を印加できないものの、概ね良好な感度で測定を続けており、重要な初期成果２本を報告した。密閉型TPCの開発については、コロナ禍の影響などにより、当初予定より進捗が遅れているものの、液体キセノンテストベンチの構築や検出器部材の量子効率測定など、成果を上げている。本年度９月より、名大学内公募による最先端国際研究ユニットのひとつとして、本研究を中心として暗黒物質研究を推進する暗黒物質国際創生ユニットが採択され、学内支援の強化により今後の研究の加速が期待できる。このことから、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最先端国際研究ユニットも活用してフライブルグ大とも連携し、密閉型TPC開発を加速させ、次年度には密閉型TPC検出器の組み立てとセットアップを完了したい。XENONnT実験の解析については、電子反跳バックグランドのさらなる削減を行いながら、電子反跳事象を用いた暗黒物質探索を進めると共に、太陽ppニュートリノ観測などの電子反跳事象を用いた観測成果も創出したい。
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