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

• 研究課題/領域番号: 22KJ1516
• 補助金の研究課題番号: 21J01817 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 小林 雅俊 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 特任助教
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 暗黒物質 / 液体キセノン / 光検出器 / ニュートリノ / トリチウム / キセノン / 低放射能技術

研究開始時の研究の概要

本研究では大型液体キセノン検出器XENONnTを用い、我々の宇宙に存在する未知の質量である暗黒物質を発見することを目指す。XENONnT実験は2022年度に初期観測データを用いた解析結果を公表した後、更なるバックグラウンド低減を経て観測が継続されており、本データを解析して暗黒物質探索を行う。また更なる将来実験へ向けたR&Dにも取り組んでいく。

研究実績の概要

様々な天文観測から、我々の宇宙には暗黒物質と呼ばれる未知の物質が通常の物質の５倍以上存在すると言われている。その中でも有力な候補が未発見の素粒子で、質量が重く弱い相互作用程度のスケールで核子と相互作用するWIMPや、電子と弱く相互作用するアクシオン様粒子(ALP)などが挙げられてきた。
本研究では、イタリアで行われる国際実験XENONnT実験により、キセノンと暗黒物質のごく稀な相互作用を通して暗黒物質探索を行った。研究期間全体を通して主に、XENONnT実験の検出器に関するコミッショニング、物理データ取得およびその解析に取り組んだ。XENONnT実験は2021年度から初期観測を開始しており、報告者はイタリアに長期滞在、現地の運転責任者としてクリプトンや中性子を用いたキャリブレーションデータの取得や、検出器にかける電圧の最適化など、安定的なデータの取得のための取り組みを指揮した。また得られたデータの解析として、特に検出器中のキセノン純度の影響を明らかにし、2022年度には太陽アクシオンやALPなどに関して世界最高感度の探索結果を発表している。2023年度には、同データを用い最も重要なモデルであるWIMPに関しても前身実験の感度を約2倍更新する探索を行うとともに、太陽から飛来するニュートリノ事象の探索など暗黒物質にとどまらない物理・天文現象の観測にも取り組んだ。
また並行して、名古屋大学における小型装置を用いたXENONnT実験の将来計画に関するR&Dにも取り組んだ。キセノン純度のさらなる向上のため、ラドンやトリチウムといったキセノン中の放射性不純物を削減するとともに、微量な不純物を定量的に測定するための技術開発に取り組み、日本物理学会などで発表を行なっている。

研究成果

• [国際共同研究] INFN LNGS/INFN Bologna/INFN Napoli(イタリア)
• [国際共同研究] Columbia University/Chicago University/UC San Diego(米国)
• [国際共同研究] MPIK/Frieburg University/University of Munster(ドイツ)
• [国際共同研究] Tsinghua University/WestLake University/CUHK-Shenzhen(中国)
• [国際共同研究] Subatech/LPNHE(フランス)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso/L'Aquila University/INFN Bologna(イタリア)
• [国際共同研究] Columbia University/Chicago University/UC San Diego(米国)
• [国際共同研究] MPIK, Heidelberg/Freiburg University/University of Munster(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Zurich(スイス)
• [国際共同研究] Tsinghua University(中国)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso/L'Aquila University/INFN Bologna(イタリア)
• [国際共同研究] Columbia University/Chicago University/UC San Diego(米国)
• [国際共同研究] MPIK Heidelberg/Freiburg University/University of Munster(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Zurich(スイス)
• [国際共同研究] Tsinghua University(中国)
• [国際共同研究]
• [雑誌論文] Design and performance of the field cage for the XENONnT experiment (2024)
  • 著者名/発表者名: XENON collaboration, M. Kobayashi
  • 雑誌名: The European Physical Journal C 巻: 84 号: 2 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12296-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cosmogenic background simulations for neutrinoless double beta decay with the DARWIN observatory at various underground sites (2024)
  • 著者名/発表者名: DARWIN Collaboration, M.Kobayashi
  • 雑誌名: The European Physical Journal C 巻: 84 号: 1 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12298-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for events in XENON1T associated with gravitational waves (2023)
  • 著者名/発表者名: XENON collaboration, M. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 108 号: 7
  • DOI: 10.1103/physrevd.108.072015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Searching for Heavy Dark Matter near the Planck Mass with XENON1T (2023)
  • 著者名/発表者名: XENON collaboration, M. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 号: 26 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.261002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment (2023)
  • 著者名/発表者名: XENON collaboration, M. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 131 号: 4 ページ: 041003-19
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.041003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The triggerless data acquisition system of the XENONnT experiment (2023)
  • 著者名/発表者名: XENON collaboration, M. Kobayashi
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 号: 07 ページ: 1-27
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/07/p07054
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low-energy calibration of XENON1T with an internal 37Ar source (2023)
  • 著者名/発表者名: XENON collaboration, Kobayashi M.
  • 雑誌名: The European Physical Journal C 巻: 83 号: 6 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-11512-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detector signal characterization with a Bayesian network in XENONnT (2023)
  • 著者名/発表者名: XENON collaboration, M. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 108 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1103/physrevd.108.012016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics (2023)
  • 著者名/発表者名: J. Aalbers et al
  • 雑誌名: Journal of Physics G 巻: 50, 013001 号: 1 ページ: 1-115
  • DOI: 10.1088/1361-6471/ac841a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An approximate likelihood for nuclear recoil searches with XENON1T data (2022)
  • 著者名/発表者名: 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, S.Kazama et al.
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. C 巻: 82:989 号: 11 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10913-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for New Physics in Electronic Recoil Data from XENONnT (2022)
  • 著者名/発表者名: 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, S.Kazama et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 129 161805 号: 16 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.161805
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Double-weak decays of 124Xe and 136Xe in the XENON1T and XENONnT experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: 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, S.Kazama et al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. C 巻: 106 024328 号: 2 ページ: 2-19
  • DOI: 10.1103/physrevc.106.024328
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Emission of single and few electrons in XENON1T and limits on light dark matter (2022)
  • 著者名/発表者名: E. Aprile et al. XENON collaboration
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 106, 022001 号: 2 ページ: 1-21
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.022001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Application and modeling of an online distillation method to reduce krypton and argon in XENON1T (2022)
  • 著者名/発表者名: E. Aprile et al. XENON collaboration
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2022 053H01 ページ: 1-21
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac074
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 222Rn emanation measurements for the XENON1T experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: E. Aprile, ..., Y. Itow, ..., S. Kazama, ..., K. Martens, ..., S. Moriyama, ..., A. Takeda, ..., et. al. (XENON Collaboration)
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. C 81:337 (2021) pp1-14 巻: C 81:337 号: 4 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-08777-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for inelastic scattering of WIMP dark matter in XENON1T (2021)
  • 著者名/発表者名: E. Aprile, ..., Y. Itow, ..., S. Kazama, ..., K. Martens, ..., S. Moriyama, ..., A. Takeda, ..., et. al. (XENON Collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 号: 6 ページ: 063028-063028
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.063028
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for Coherent Elastic Scattering of Solar B8 Neutrinos in the XENON1T Dark Matter Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: E. Aprile, ..., Y. Itow, ..., S. Kazama, ..., K. Martens, ..., S. Moriyama, ..., A. Takeda, ..., et. al. (XENON Collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 9 ページ: 091301-091301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.091301
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] The development of Hermetic Quartz Detector for the DARWIN experiment (2024)
  • 著者名/発表者名: M.Kobayashi
  • 学会等名: Nagoya Workshop on Technology and Instrumentation in Future Liquid Noble Gas Detectors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] キセノンガス中の微量水素量測定法の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 小林雅俊
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] XENONnT実験による太陽ニュートリノの探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林雅俊
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] Activities in Nagoya group (2023)
  • 著者名/発表者名: M.Kobayashi
  • 学会等名: Heavy Flavor and Dark Matter Joint Unit Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Direct Dark Matter Detection with XENONnT/DARWIN (2023)
  • 著者名/発表者名: M.Kobayashi
  • 学会等名: The 5th KMI International Symposium (KMI2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小林雅俊
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] XENONnT実験による太陽ppニュートリノ信号の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林雅俊
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] The XENONnT experiment: recent status and updates (2022)
  • 著者名/発表者名: M.Kobayashi
  • 学会等名: International Workshop on Applications of Noble Gas Xenon to Science and Technology (XeSAT2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The development of hermetic quartz chamber for future low background liquid xenon detectors (2022)
  • 著者名/発表者名: M.Kobayashi
  • 学会等名: International Workshop on Applications of Noble Gas Xenon to Science and Technology (XeSAT2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小林雅俊
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小林雅俊
  • 学会等名: 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
• [学会発表] XENONnT実験: XENON実験全体の現状報告 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林雅俊
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [備考] First WIMP Search Results from the XENONnT
  • URL: https://www.kmi.nagoya-u.ac.jp/eng/blog/2023/03/23/2757/
• [備考] 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/