2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of direction sensitive dark matter detector with ZnWO4 scintillators
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22H01245
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
関谷 洋之 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (90402768)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
市村 晃一 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 助教 (80600064)
黒澤 俊介 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (80613637)
中島 康博 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (80792704)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 素粒子 / 検出器 / 暗黒物質 / 方向感度 / 極低放射能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中性子ビームを用いた低エネルギー原子核反跳測定に向けてZnWO4結晶からの集光量を増やすために、反射材の改良、高量子効率の光電子増倍管の使用、プリアンプの改良、そして結晶研磨方法の変更を行った。 反射材にはアルミ蒸着シートを用いることで光量の時間変動を抑え系統誤差を小さくすることに成功した。光電子増倍管にはウルトラバイアルカリ光電面のものを採用することで集光量を1.26倍に増加できた。またプリアンプの積分時定数を33μs から68μsにすることでS/N 比が向上し、1光電子を測定することができるようになった。そして他の実験の随伴として実際に565keVの中性子ビームをあてる予備的な測定を実施し、シミュレーションと比較することで、低エネルギー酸素反跳イベントの取得ができることを確認した。また、これとは独立に異方性について、東北大学においてアルファ線ビーム、電子ビームなどで異方性を調査した。
一方、低放射能化を目指し、結晶表面の研磨方法を変更した1cm角のZnWO4をロシアから購入して比較を行った。ダイヤモンドで鏡面研磨した従来の結晶と、高純度SiO2で研磨し表面状態は粗いが放射性不純物が少ないと思われる結晶とで発光量を比較した。その結果S iO2研磨の結晶の方が光量が1.2倍多く、表面状態の粗さによりむしろ集光量が増加することが分かった。放射性不純物の含有量自体は神岡地下の超高純度Ge検出器で測定を行って定量を試みたが、ダイヤモンド鏡面研磨結晶においても、ウラン、トリウム、カリウム等の上限値しか得られず、すでに十分低バックグラウンドを実現していることが確認できた。
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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
集光量の増加を目指した開発が成功し、低エネルギー領域での中性子応答をしらべる準備が整ったことと、次回中性子ビームを試験のためのパイロットランを実施することができたことから順調に進展していると言える。また、同時並行で結晶の不純物についての理解も進み、さらに分担者によって東京大学本郷キャンパス内にて、結晶の発光量測定を行う環境が構築されて、想定通りに研究が進めらている。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きZnWO4結晶の異方性の性能評価を、産業技術総合研究所の中性子ビーム等を用いて進める。565keVのビームによるパイロット試験の結果から、まずはトリウムターゲットを用いた700keV程度のビームでの応答を調べる。統計が重要なので、ビームタイムの確保に努める。あわせて東北大学でより強度の強いアルファ線ビーム、電子ビームなどでも異方性について詳細に調べ、角度依存性等の補完データとする。
暗黒物質探索用の検出器設計を開始し、 ZnWO4結晶周りの検出器部材についても極低放射ゲルマニウム検出器を用いた放射性不純物量評価を行い、得られた結果を基に暗黒物質探索の雑音事象のシミュレーションを行う。それを基に暗黒物質探索感度評価を行う。
今後ロシアからの結晶購入に懸念があるが、東北大学での結晶育成も含めて検討を進める。
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