2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of the next generation dark matter detector with Xe-based mixture gases

Research Project

Project/Area Number	21K18623
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)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2024-03-31
Keywords	暗黒物質 / キセノン検出器 / TPC / 宇宙素粒子 / ニュートリノ
Outline of Annual Research Achievements	大型キセノンTPCによる暗黒物質探索実験で未踏領域のうち、暗黒物質の質量10GeV以上の「重い領域」では約3桁、10GeV以下の「軽い領域」で約6桁の感度向上が必要である。そのためのブレークスルーとなりうる「重い領域」と「軽い領域」両方を同一の検出器で探索可能とする新たな手法の開発を目的としている。引き続きキセノンやアルゴンとヘリウムやネオンといった重い希ガスと軽い希ガスを混合した暗黒物質検出器実現のためのガス容器とフィードスルーの開発を行った。特に希ガスだけの場合に放電が問題になるが、一番放電しやすい箇所がフィードスルーである。今年度は一般的なSHVのフィードスルーにガラスのチューブとカプトンシートで絶縁を強化したフィードスルーを試験した。導体の銅の棒の周りにガラスチューブを通し、さらにそれとGNDの間にカプトンシートを導入した。当初これまで同様に5kV程度の印加で放電が見られたが、ガラスチューブやカプトンを含む材料をアルコールと超純水で超音波洗浄することで放電が抑制され8kV以上の印加が可能となった。表面の汚染を元にした表面放電が主な原因であると思われるので、今後フィードスルーだけでなく、すべての構成要素の洗浄を行うことにする。また、読み出しのための光電子増倍管については、Xenon-nT実験で用いられている本体にXMASS実験で開発した高電圧分割回路を組み合わせ現状可能な限りの低放射線不純物のアセンブリを実現した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究はイギリスBirmingham大学のKonstantinos Nikolopoulos 、スウェーデンEuropean Spallation SourceのIoannis Katsioulasと共同で実施している。Nikolopoulosと Katsioulasが主にキセノンガスへのアルゴン・ネオンガス導入によるシンチレーション発光特性の調査を担当しているが、2022年度もコロナ禍により双方に行き来ができず、ガス試験を実施するところまでは至らなかった。しかし最重要の開発要素であるフィードスルーについてWeb会議を頻繁に行うことで双方で独立に実験を行い、放電を抑制する機構を確立するに至った。2023年度には神岡に長期に滞在してもらい、開発したフィードスルーを用いて一緒に実験する予定である。
Strategy for Future Research Activity	完成したフィードスルーを神岡に持ち込み、実際にキセノンベースのガスで高電圧印加を行う。放電抑制を確認した後、アルゴンガスと少量のヘリウムガスの混合を試みる。一方、液化後に使用する光電子増倍管のGe評価を行う。また、放電抑制のために光電子増倍管アッセンブリの洗浄方法を確立させる必要があり、高電圧分割回路を切り離し超音波洗浄に耐えうるかの確認を行う。
Causes of Carryover	主にイギリス-神岡間の旅費と神岡でのキセノン以外のガス導入のための費用を計上していたが、コロナ禍で移動できず主にオンライン会議で情報共有とフィードスルー試験を行ったためである。今後移動が可能になり次第、神岡での研究を開始する予定であり、旅費、ガス導入装置とも使用する計画である。