原子核反跳による宇宙暗黒物質の直接探索

• Project/Area Number: 02J04485
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 吉田 斉 大阪大学, 大学院・理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2004: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2003: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2002: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 暗黒物質 / WIMPs / ニュートリノ / CaF_2シンチレータ / 原子核反跳 / 低バックグラウンド / 地下実験室 / 二重ベータ崩壊 / 地下実験 / CaF_2シンチレーター

Research Abstract

宇宙の構成物質の大部分は光を放出しない暗黒物質で構成されていることが、近年の観測から確実視されており、その暗黒物質の候補としてWIMPs(Weakly Interacting Massive Particles)が有力視されている。
本研究では、フッ化カルシウムシンチレーション検出器(以下CaF_2検出器)を使用し、検出器中の^<19>Fと暗黒物質の弾性散乱による反跳エネルギーの検出を通して探索を行うことを目的としている。一般的にシンチレーションを利用する場合、ガンマ線などで較正した電子換算エネルギーと原子核による反跳エネルギーの間には消光係数を介した関係があり、実際に観測される反跳エネルギーを知るためには消光係数を測定することが不可欠である。
今年度の研究では、暗黒物質と^<19>F原子核の散乱による反跳エネルギーを較正するため、単色中性子ビームを使用して^<19>F原子核のCaF_2検出器中での消光係数を測定した。検出器は、発光材で活性化していないCaF_2検出器(以下CaF_2(pure))を使用し、反跳エネルギー100keV(実際にWIMPsとの散乱で得られる反跳エネルギーの領域)付近で14%程度であり、エネルギーが減少するに従って大きくなることがわかった。この結果は一般的に使用されるユーロピウム活性化CaF_2検出器(CaF_2(Eu))と同程度の値である。これによりCaF_2(pure)検出器が暗黒物質直接探索において有力な検出器であることを証明することに成功した。
また、暗黒物質探索においてはバックグラウンドとなるガンマ線と原子核反跳の事象の弁別能力の向上が、バックグラウンドの低減化を実現し、感度の向上に直接結びつく。重イオンビームならび大強度ガンマ線源を利用してCaF_2(pure)シンチレーション検出器の発光波長の粒子依存性を調べ、粒子によって発光波長に大きな違いがあることを確かめた。

Research Products

• [Journal Article] Precise Measurement of Cross Section of ^3He(^3He,2p)^4He by using He-3 Doubly Charged Beam (2005)
  • Author(s): Nobuyuki Kudomi, et al.
  • Journal Title: Physical Review C 69 Pages: 15802-15802
• [Journal Article] MOON (Mo Observatory Of Neutrinos) for double beta decay (2005)
  • Author(s): M.Nomachi, et al.
  • Journal Title: Nuclear Physics Proceedings Supplements 138 Pages: 221-223
• [Journal Article] Spectroscopy of low energy solar neutrinos by MOON --Mo Observatory Of Neutrinos-- (2005)
  • Author(s): R.Hazama, et al.
  • Journal Title: Nuclear Physics Proceedings Supplements 138 Pages: 102-105
• [Journal Article] CANDLES Project for Double Beta Decay of 48-Ca (2005)
  • Author(s): S.Yoshida et al.
  • Journal Title: Nuclear Physics Proceedings Supplements 138 Pages: 214-216
• [Journal Article] Search for WIMPs by means of the ELEGANT V NaI Detectors (2004)
  • Author(s): S.Yoshdia, et al.
  • Journal Title: Proceedings of International Conference on Neutrinos and Dark Matter in Nuclear Physics(NDM03)
• [Journal Article] Double Beta Decay of 48-Ca by CANDLES (2004)
  • Author(s): S.Umehara, et al.
  • Journal Title: Proceedings of International Conference on Neutrinos and Dark Matter in Nuclear Physics(NDM03)
• [Publications] N.Kudomi et al.: "Precise Measurement of Cross Section of ^3He(^3He,2p)^4He by using ^3He Doubly Charged Beam"Physical Review C. 69. 015802 (2004)
• [Publications] S.Yoshida et al.: "Search for WIMPs with NaI(TI) Detectors at Oto Cosmo Observatory"Nuclear Physics. A721. 1056c-1059c (2003)
• [Publications] T.Itahashi et al.: "Cross section of ^3He(^3He,2p)^4He Measured near the Gamov Peak"Nuclear Physics. A721. 1015c-1018c (2003)
• [Publications] I.Ogawa et al.: "Double Beta Decay Study of ^<48>Ca by CaF_2"Nuclear Physics. A721. 525c-528c (2003)
• [Publications] P.Doe et al.: "Neutrino Studies in ^<100>Mo and MOON-Mo Observatory of Neutrinos"Nuclear Physics. A721. 517c-520c (2003)
• [Publications] K.Ichihara et al.: "Highly Sensitive Measurements of Alpha-rays in NaI(TI) scintillator by Pulse Shape Discrimination with Charge-Sensitive ADC"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A515. 651-656 (2003)
• [Publications] H.Ejiri et al.: "Double Beta Decays of ^<100> Mo and Molybdenum Observatory of Neutrinos"Nucl.Phys.Proc.Suppl.. 110. 375-377 (2002)
• [Publications] K.Fushimi et al.: "Limits on Majoron emitting neutrinoless double-beta decay of ^<100> Mo"Physics Letters. B531. 190-194 (2002)
• [Publications] K.Fushimi et al.: "Determination of Th-chain contamination in a high sensitivity detector"Nuclear Instruments and Methods. A491. 163-171 (2002)
• [Publications] S.Umehara et al.: "Determination of U-chain concentration in NaI(Tl) scintillator by delayed coincidence method"Nuclear Instruments and Methods. A490. 271-275 (2002)
• [Publications] S.Yoshida et al.: "Search for Annual Modulation of WIMPs with the Large NaI(Tl) Scintillators of ELEGANT V"RCNP Annual Report 2001. 40-41 (2002)
• [Publications] S.Yoshida et al.: "Natural Radioactivities in Materials Used for Low Background Detectors"OULNS Annual Report 2001. 1-3 (2002)