2013 Fiscal Year Annual Research Report

液体キセノン中の電荷増幅を用いた暗黒物質探索

Research Project

Project/Area Number	25707015
Research Category	Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	関谷洋之東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (90402768)
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2017-03-31
Keywords	暗黒物質 / キセノン / 電荷増幅 / 素粒子実験 / 宇宙線
Research Abstract	今年度は主に名古屋大学において、液体キセノン中での電荷増幅の確認を行うための装置の開発を推し進めた。まず、重力マイクロレンズ効果による宇宙観測プロジェクトMOA の大面積CCD クライオスタットを転用し、液体窒素でキセノンを液化するのに必要な‐100℃以下まで冷却できる装置の開発を行った。既存の装置の転用であるため、冷却対象の液体キセノン容器への熱伝導が小さく冷却に時間がかかる問題があったが、熱リンクを増強することでこれを解決した。同時に液体キセノン用容器、断熱用真空容器、液体キセノン純化導入システム、キセノン回収システムの開発を行い、これらの高真空試験を行った。基本的にVCRやICFといった高真空規格を用いた真空系であるが、液体キセノンからの光シグナルを読み出すためのフッ化マグネシウム窓を導入する必要があり、一部Uタイトシールというガスケットを用いている。当初はリークが発生したが最終的に10‐4Paの真空度を到達した。また、実際に液体キセノン中に高電圧をかける電極の製作も行い、Φ10μｍのアノードワイヤーと　カソード間に3kV/cm 印加する準備を整えた。本研究の検出器開発には電場計算、熱計算など、有限要素法を用いたシミュレーションが欠かせない。上記の開発には、Femtet（R）を用いたシミュレーションを効果的に使用しており、今後の検出器デザインを進めるプラットフォームも整えた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 今年度は、液体キセノン中で高電場をかけ、実際にシグナルを見るところまで行う計画だったが、そこまでは至らなかった。一方、本来26年度に予定していたシミュレーションによる検出器デザインについて大きな進展があり、今後も計画どおり進められそうである。
Strategy for Future Research Activity	まずは、現在名古屋大学において進めている液体窒素を用いたシステムにおいて、液体キセノン中に10μmのアノードワイヤーとカソード間に3kV/cm印加することで、Direct　scintillation(S1)およびProportional scinitllation(S2)を発生させる実験を継続して行う。ここで検出器動作のための基本的なパラメータを出し、プロトタイプ検出器の設計に生かす。並行して、XMASSの形状である、球状検出器へ導入するための、電場構造をシミュレーションにより設計する。球状検出にの中心から、放射状に高電場を作り出す必要があるが、現実的に球の中心に“点”電極を作り出すのは不可能であるから、どのように電極を実装するかが課題である。球状電場より、実際には円筒形検出器の中心にワイヤーを張った形状（ガスワイヤーチェンバーの基本形）のほうが、簡単にドリフト電場を実現できる。平成26年度中に球状検出器にするか、円筒形にするかを決断して、PMT本数が少ないプロトタイプ検出器を設計、製作を行う。また、冷凍機を用いたシステムの構築を進め、上記電極と組み合わせる真空容器の製作も進める。これらのシステムは神岡地下実験室で展開する予定である。
Expenditure Plans for the Next FY Research Funding	現在までの達成度でも述べたが、今年度は実際に電場をかけることより、シミュレーションによる検出器設計を進めたため、設備等の購入を行わなかったことによる。次年度は当初今年度に計上していた、実際に電場をかける容器、冷凍機等の購入を予定している。