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2022 年度 実績報告書

XENON実験での電子反跳による新物理探索と密閉型TPC検出器による新展開

研究課題

研究課題/領域番号 21H04466
研究機関名古屋大学

研究代表者

伊藤 好孝  名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50272521)

研究分担者 山下 雅樹  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任准教授 (10504574)
風間 慎吾  名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (40736592)
森山 茂栄  東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50313044)
小林 雅俊  名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 学振特別研究員(PD) (50824059)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
キーワード暗黒物質 / 液体キセノン / 地下宇宙線実験 / 非加速器素粒子物理学 / アクシオン
研究実績の概要

本年度はXENONnT実験の初期成果2件を公表し、暗黒物質探索について大きな進展があった。
前身のXENON1T実験が2020年に報告した低エネルギー電子反跳事象の超過について、 XENONnT実験での初期データSR0による検証を行った。内部ラドン由来の電子反跳バックグランドをXENON1T実験の1/5に削減することに成功し、約1トン年の観測データを用いた結果、XENON1T実験が示唆した電子反跳事象の超過を否定する結果を得、アクシオンなど新物理に対する強い制限を得た。この結果は本年度7月にXENONnTからの初めての物理成果としてプレスリリースされた。さらにSR0データでの、原子核反跳による重い暗黒物質探索を行ったが、有意な証拠は見られなかった。背景事象削減の効果により、XENON1T実験と同程度の統計量ながら感度を1.7倍改善し、暗黒物質と核子とのスピン非依存型散乱断面積の90%上限値として2.58x10**-47cm**2を得た。この結果について本年度3月プレスリリースを行なった。
密閉型TPCの開発としては、石英フランジ容器を使わず、テフロン円筒と光電子増倍管ガラスの熱膨張率の違いを利用し、低温で密閉する方式をドイツ・フライブルグ大が開発しており、共同で密閉型TPCの開発を進める事になった。この共同研究を軸とした暗黒物質国際創生ユニットが名大学内の最先端国際研究ユニットとして採択され、9月より活動を開始した。
一方、石英導電薄膜コーティング電極開発に向けて、プラチナ、ステンレス、フッ化マグネシウムの素材について、真空紫外光に対する量子効率測定を、真空、気体・ガスキセノンの3雰囲気中で、強電場を印加しながら行なった。その結果、フッ化マグネシウムが最も低い量子効率を持ち、キセノンシンチ光自身が原因の背景光電子放出を抑える部材として有力である事がわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

XENONnT実験での暗黒物質探索について、電子反跳背景事象の大幅な削減が功を奏し、予定ドリフト電場を印加できないものの、概ね良好な感度で測定を続けており、重要な初期成果2本を報告した。密閉型TPCの開発については、コロナ禍の影響などにより、当初予定より進捗が遅れているものの、液体キセノンテストベンチの構築や検出器部材の量子効率測定など、成果を上げている。本年度9月より、名大学内公募による最先端国際研究ユニットのひとつとして、本研究を中心として暗黒物質研究を推進する暗黒物質国際創生ユニットが採択され、学内支援の強化により今後の研究の加速が期待できる。このことから、おおむね順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

最先端国際研究ユニットも活用してフライブルグ大とも連携し、密閉型TPC開発を加速させ、次年度には密閉型TPC検出器の組み立てとセットアップを完了したい。XENONnT実験の解析については、電子反跳バックグランドのさらなる削減を行いながら、電子反跳事象を用いた暗黒物質探索を進めると共に、太陽ppニュートリノ観測などの電子反跳事象を用いた観測成果も創出したい。

  • 研究成果

    (38件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 8件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 10件、 招待講演 8件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] Max-Planck-Institute Kernphysik/Universitat Freiburg/Johannes Gutenberg-Universitat Mainz(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Max-Planck-Institute Kernphysik/Universitat Freiburg/Johannes Gutenberg-Universitat Mainz
    • 他の機関数
      2
  • [国際共同研究] University of Bologna/University of Torino/University of Napoli(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      University of Bologna/University of Torino/University of Napoli
    • 他の機関数
      2
  • [国際共同研究] Columbia University/University of Chicago/Purdue University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Columbia University/University of Chicago/Purdue University
    • 他の機関数
      2
  • [国際共同研究] University of Zurich(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      University of Zurich
  • [国際共同研究] Tsinghua University(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Tsinghua University
  • [雑誌論文] A next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics2023

    • 著者名/発表者名
      J. Aalbers et al
    • 雑誌名

      Journal of Physics G

      巻: 50, 013001 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] Application and modeling of an online distillation method to reduce krypton and argon in XENON1T2022

    • 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] Emission of single and few electrons in XENON1T and limits on light dark matter2022

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

      Physical Review D

      巻: 106, 022001 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] Material radiopurity control in the XENONnT experiment2022

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

      Euro Physical Journal C

      巻: 82:599 ページ: 1-21

    • DOI

      10.1140/epjc/s10052-022-10345-6

    • 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 Experiments2022

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

      Physical Review C

      巻: 106, 024328 ページ: 1-19

    • 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] Search for neutrinoless quadruple beta decay of 136Xe in XMASS-I2022

    • 著者名/発表者名
      K. Abe et al., XMASS Collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 833, 137355 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2022.137355

    • 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 XENONnT2022

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

      Physical Review Letters

      巻: 129, 161805 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] An approximate likelihood for nuclear recoil searches with XENON1T data2022

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

      Euro Physical Journal C

      巻: 82:989 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
  • [学会発表] 第3世代の暗黒物質直接探索実験+次世代暗黒物質探索実験の検出器構造研究2023

    • 著者名/発表者名
      小林雅俊
    • 学会等名
      宇宙線研究所共同利用研究成果発表会
    • 招待講演
  • [学会発表] Direct Dark Matter Detection with XENONnT/DARWIN2023

    • 著者名/発表者名
      小林雅俊
    • 学会等名
      The 5th KMI International Symposium (KMI2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] XENONnT実験:初期データを用いた暗黒物質探索結果の報告2023

    • 著者名/発表者名
      風間慎吾
    • 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] 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] Introduction to DMunit: International Research Unit for Innovative Dark Matter Research2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤好孝
    • 学会等名
      Joint Workshop of the Nagoya B-1 units “Heavy Flavor & Dark Matter”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] DARWIN/XLZD Direct Dark Matter Search2023

    • 著者名/発表者名
      山下雅樹
    • 学会等名
      Joint Workshop of the Nagoya B-1 units “Heavy Flavor & Dark Matter”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experimental Activity in Nagoya Group2023

    • 著者名/発表者名
      小林雅俊
    • 学会等名
      Joint Workshop of the Nagoya B-1 units “Heavy Flavor & Dark Matter”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] First WIMP Search Results from the XENONnT Experiment2023

    • 著者名/発表者名
      風間慎吾
    • 学会等名
      Joint Workshop of the Nagoya B-1 units “Heavy Flavor & Dark Matter”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Direct Dark Matter Search with XENON2022

    • 著者名/発表者名
      風間慎吾
    • 学会等名
      UGAP2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] DARWIN実験のための低量子効率電極の開発2022

    • 著者名/発表者名
      青山直樹
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [学会発表] XENONnT実験における初期データ解析の現状報告2022

    • 著者名/発表者名
      風間慎吾
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [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] 暗黒物質直接探索XENONnT実験による最新結果と展望2022

    • 著者名/発表者名
      山下雅樹
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会,共催シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of coated electrodes with low quantum efficiencyfor future direct dark matter experiments with liquid xenon2022

    • 著者名/発表者名
      青山直樹
    • 学会等名
      The 2nd DMNet International Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Future DARWIN R&D-I:Future photosensor2022

    • 著者名/発表者名
      風間慎吾
    • 学会等名
      The 2nd DMNet International Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] First Science Results from the XENONnT experiment2022

    • 著者名/発表者名
      風間慎吾
    • 学会等名
      LIDINE 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of coated electrodes with low quantum efficiency for future direct dark matter experiments with liquid xenon2022

    • 著者名/発表者名
      青山直樹
    • 学会等名
      LIDINE 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] DARWIN(XLZD)2022

    • 著者名/発表者名
      山下雅樹
    • 学会等名
      素粒子原子核分科会のシンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] DARWIN実験のためのハイブリッド光検出器の開発2022

    • 著者名/発表者名
      長谷川智哉
    • 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
  • [備考] 名古屋大学宇宙地球環境研究所宇宙線研究部・暗黒物質直接探索

    • URL

      https://www.isee.nagoya-u.ac.jp/CR/research/direct_dm/

  • [備考] 名古屋大学素粒子宇宙起源研究所現象解析研究部門

    • URL

      https://www.kmi.nagoya-u.ac.jp/research-center/ce/

  • [備考] XENONnT実験による最初のWIMP暗黒物質探索の結果

    • URL

      https://www.kmi.nagoya-u.ac.jp/blog/2023/03/23/4880/

  • [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/

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公開日: 2023-12-25  

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