大型液体キセノン検出器XENONnTを用いた暗黒物質の直接探索

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J01817
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 小林 雅俊 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2024-03-31
• Keywords: 暗黒物質 / キセノン / 低放射能技術

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、宇宙に存在する未知の質量である暗黒物質の直接的な発見を目的とする。報告者はその達成のため、イタリア・グランサッソ研究所で行われる大型キセノン検出器を用いた暗黒物質の直接探索実験XENONnTに参加し、本年度は主としてXENONnT検出器のデータ解析に取り組んだ。XENONnT実験では2021年7月から12月にかけて取得した初期観測データを用いた低エネルギー電子反跳事象に関するデータ解析の結果が本年度7月に発表しており、報告者はそのうち主としてキセノン中の不純物濃度の継時変化による、信号減衰量の推定などに取り組むことでシミュレーションの改善とエネルギー分解能の向上に貢献した。本結果では、前身のXENON1T実験におけるバックグラウンド信号を1/5まで低減することに成功し、同実験で報告された低エネルギー部における超過事象を検証した。データ解析の結果、XENONnT実験では同様の超過が観測されなかったことから、太陽アクシオン、ニュートリノの異常磁気モーメント、ダークフォトンなどの新物理や電子と弱く結合する暗黒物質モデルに関して世界で最も強い制限を与えることに成功し、PRL誌に論文として発表した。本結果から、XENON1T実験における超過は当時も議論されていた微量トリチウムによる影響と考えられている。また、同データを用いたWIMP暗黒物質に関する解析結果も本年度3月に発表しており、WIMPの兆候は観測されなかったもののXENON1T実験による制限値を更新することに成功している。WIMP解析に関する結果は、現在論文として投稿準備中となっている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

XENONnT実験はCOVIDによる影響を受け、実験開始は遅れたものの順調にデータ取得を継続しており、報告者も貢献したデータ解析により初期観測の成果を発表している。また最も重要な課題の一つであった前身実験のXENON1T実験で観測された超過事象に関する検証を非常に明確に行い、いくつかの新物理モデルに関しては世界で最も良い制限をつけることに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

XENONnT実験は、同種の実験において世界で最も低い放射性バックグラウンドでのデータの取得を続けている。本データを用いたより感度の高い暗黒物質探索を続けるとともに、本年度の成果から、暗黒物質だけでなく低エネルギー部における新たな観測として数keV領域における低エネルギー太陽ニュートリノの世界初観測も目標となる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso/L'Aquila University/INFN Bologna(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso/L'Aquila University/INFN Bologna
  • # of Other Institutions: 2
• [Int'l Joint Research] Columbia University/Chicago University/UC San Diego(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Columbia University/Chicago University/UC San Diego
  • # of Other Institutions: 2
• [Int'l Joint Research] MPIK, Heidelberg/Freiburg University/University of Munster(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: MPIK, Heidelberg/Freiburg University/University of Munster
  • # of Other Institutions: 2
• [Int'l Joint Research] University of Zurich(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: University of Zurich
• [Int'l Joint Research] Tsinghua University(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Tsinghua University
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 6
• [Journal Article] A next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics (2022)
  • Author(s): J. Aalbers, S. S. AbdusSalam, K. Abe, V. Aerne, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, D. S. Akerib, D. Y. Akimov, J. Akshat, A. K. Al Musalhi, F. Alder, S. K. Alsum, L. Althueser, C. S. Amarasinghe, F. D. Amaro, A. Ames, T. J. Anderson, B. Andrieu, N. Angelides, E Angelino, M. Kobayashi, et al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics Volume: 50 Pages: 013001～013001
  • DOI: 10.1088/1361-6471/ac841a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An approximate likelihood for nuclear recoil searches with XENON1T data (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, M. Alfonsi, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A.L. Baxter, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, A. Brown, S. Bruenner, G. Bruno, R. Budnik, M. Kobayashi, et al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: The European Physical Journal C Volume: 82 Pages: -
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10913-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for New Physics in Electronic Recoil Data from XENONnT (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A. L. Baxter, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, A. Brown, S. Bruenner, G. Bruno, R. Budnik, M. Kobayashi, et al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 129 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.161805
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Double-weak decays of 124Xe and 136Xe in the XENON1T and XENONnT experiments (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, M. Alfonsi, L. Althueser, B. Andrieu, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A. L. Baxter, L. Bellagamba, R. Biondi, A. Bismark, A. Brown, S. Bruenner, G. Bruno, R. Budnik, M. Kobayashi, et al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 106 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevC.106.024328
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emission of single and few electrons in XENON1T and limits on light dark matter (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, M. Alfonsi, L. Althueser, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A. L. Baxter, L. Bellagamba, A. Bernard, R. Biondi, A. Bismark, A. Brown, S. Bruenner, G. Bruno, R. Budnik, M. Kobayashi, et al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 106 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.106.022001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application and modeling of an online distillation method to reduce krypton and argon in XENON1T (2022)
  • Author(s): E. Aprile, K. Abe, F. Agostini, S. Ahmed Maouloud, M. Alfonsi, L. Althueser, E. Angelino, J. R. Angevaare, V. C. Antochi, D. Anton Martin, F. Arneodo, L. Baudis, A. L. Baxter, L. Bellagamba, A. Bernard, R. Biondi, A. Bismark, A. Brown, S. Bruenner, G. Bruno, R. Budnik, M. Kobayashi, et al. (XENON Collaboration)
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 5 Pages: -
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac074
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Activities in Nagoya group (2023)
  • Author(s): M.Kobayashi
  • Organizer: Heavy Flavor and Dark Matter Joint Unit Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct Dark Matter Detection with XENONnT/DARWIN (2023)
  • Author(s): M.Kobayashi
  • Organizer: The 5th KMI International Symposium (KMI2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] DARWIN実験のための新型電極の開発に向けた部材の量子効率測定 (2023)
  • Author(s): 小林雅俊
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] XENONnT実験による太陽ppニュートリノ信号の探索 (2023)
  • Author(s): 小林雅俊
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] The XENONnT experiment: recent status and updates (2022)
  • Author(s): M.Kobayashi
  • Organizer: International Workshop on Applications of Noble Gas Xenon to Science and Technology (XeSAT2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The development of hermetic quartz chamber for future low background liquid xenon detectors (2022)
  • Author(s): M.Kobayashi
  • Organizer: International Workshop on Applications of Noble Gas Xenon to Science and Technology (XeSAT2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] XENONnT：低エネルギー電子反跳バックグラウンドの理解に向けた環境中トリチウムの計測（2） (2022)
  • Author(s): 小林雅俊
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] XENONnT実験のバックグラウンド理解へ向けた環境中トリチウムの測定 (2022)
  • Author(s): 小林雅俊
  • Organizer: 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」若手研究会
• [Remarks] 暗黒物質探索実験XENONnTによる最初の新物理探索の成果： 電子反跳事象に関する最新観測結果
  • URL: https://www.kmi.nagoya-u.ac.jp/blog/2022/07/22/xenonnt_first_results/