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2020 年度 実績報告書

大型キセノン検出器を用いた暗黒物質の世界最高感度探索

研究課題

研究課題/領域番号 19J20429
研究機関東京大学

研究代表者

加藤 伸行  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
キーワード暗黒物質 / 液体キセノン / 純化
研究実績の概要

暗黒物質は宇宙の観測から存在が確実視されており、我々の体を作るような通常の物質の5倍も存在しているとされているが、その正体は不明である。この研究はイタリアのグランサッソ国立研究所で準備が進められている世界最高感度実験XENONnT実験のパフォーマンスを最大化するためのものである。
XENONnT実験では今までにないほど大量のキセノン を使うことになるが、そこではキセノン中に含まれる酸素などの不純物が信号を弱めてしまい感度低下につながる。既存の純化手法の限界が既に過去の実験からも見え始めていたため、より高速で処理できることが期待される液体のまま循環・純化を行うシステムの開発を行った。なお、既存の方法では液体を全て一旦気化してから純化していたためスピードアップがしにくかった。
今まではフィルター候補に液体キセノンを流し、液体キセノンの純度変化を純度モニターで測定することでフィルター候補の純化能力の評価を行なってきた。それらのデータをもとにたてられた純化戦略を使い、2020年度の秋からTPCなど実験装置全体が組み上がった状態で本番の純化を開始させた。その結果、液体キセノンの純度は急激に上昇し、十分満足のいく純度をキープさせることに成功した。また、当初の懸念事項であった、ノイズの元となる放射性物質のラドンの放出も、無視できる程度に抑えることに成功した。この成果により、XENONnT実験のパフォーマンスを最大化することが可能になったと考えられる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

フルスケールのキセノン量で純化を開始することができ、要求レベルを上回る高い純度を達成することができた。また、懸念していたラドン放出に関しても無視できるレベルであった。キセノン純化という観点からは満足いく結果を得られたと考えている。また、実験装置のコミッショニングとそのデータ解析も行なっており、XENONnTの最初の結果に向けて着実に進んでいる。暗黒物質以外にも2020年度XENON1T実験から公表された未知の電子反跳事象のXENONnT実験での検証も急務である。

今後の研究の推進方策

液体キセノン純化に関しては、良い成果が得られたと考えているため、今後は論文を用意する予定である。また、この純化システムは引き続き実験にとって重要な装置であるため、安定して運用できるように努める。
また、2021年度は物理解析のための最初のデータが得られる予定である。世界各国の共同研究者と協力してそのデータを解析し、最新結果に貢献したい。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件)

  • [国際共同研究] LNGS(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      LNGS
  • [国際共同研究] Columbia University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Columbia University
  • [雑誌論文] Projected WIMP sensitivity of the XENONnT dark matter experiment2020

    • 著者名/発表者名
      Aprile E.、et al.
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2020 ページ: 031

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2020/11/031

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] XENONnT experiment2020

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Kato
    • 学会等名
      Kashiwa Dark Matter Symposium 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] XENON実験でのキセノン純化モデル2020

    • 著者名/発表者名
      加藤伸行
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会

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公開日: 2021-12-27  

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