2019 Fiscal Year Annual Research Report
Direct Search for Dark Matter with High-Sensitivity Large-Scale Detectors
| Project Area | Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics |
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| Project/Area Number |
19H05805
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
森山 茂栄 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50313044)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 雅樹 東京大学, 宇宙線研究所, 特任准教授 (10504574)
安部 航 東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (30401285)
風間 慎吾 名古屋大学, 高等研究院(素粒子), 特任助教 (40736592)
中村 正吾 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (50212098)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | ダークマター / 暗黒物質 / 中性子検出器 / ガドリニウム / 低バックグラウンド / キセノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究では、国際共同実験XENONnTにおいて、暗黒物質と核子の散乱断面積2×10-48cm2を達成し、大発見を目指す。そのために実験における究極のノイズとなる中性子の存在を同定するため、本領域内の連携を活かし検出器で信号が得られた時に中性子が存在したかどうかを記録し排除することが必須である。具体的にはスーパーカミオカンデグループが開発した中性子検出の技術を応用する。本領域の低バックグラウンド技術と連携を活かし、放射性不純物が少なく純度の極めて高い硫酸ガドリニウムを調達し、XENONnTの中性子検出器に導入し、運転を行う。本年度は研究計画調書で予定したほとんどの項目に十分な進捗があった。
(1)硫酸ガドリニウムの日本担当分2.4トンを入手し、純度の確認を行い、実験現場に持ち込んだ。（2）XENONnT検出器のTPC、その後中性子検出器の建設を行った。(3)TPCの試験のため、水遮蔽体に水を張ることが可能となった。(4)硫酸ガドリニウムを溶解した際の水中の光の透過率の測定が重要である。市販の分光計を用いて性能を最高度まで引き出す技術を確立した。具体的には長さ300 mmのセル内の水の透過率を、再現性+/-0.03%で得ることができた。これは中性子検出器の性能評価には十分な感度となる。(5)硫酸ガドリニウムを溶解した水の純化装置の設計を完了した。(6)不純物を除去するフィルタ材の調達準備を進めた。また、(7)XMASSのデータ解析による論文出版、(8)新型光センサーMPPCの低ノイズ化も順調に進んだ。その他(9)石英容器を基にした将来の低バックグラウンド検出器開発や、(10)液体キセノンからの近赤外光の検出準備も進めた。
そのほか本グループのメンバーが、データ解析やキセノン純化のコンビーナー、機関代表者会議の共同議長等も選出され運営への貢献を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、超高純度の硫酸ガドリニウムを必要な量を調達することができた。他グループとの調整のため全量の調達完了が半年ほど遅れたが、それ以外の検出器本体の建設等はコロナ禍にもかかわらず順調に進めることができた。本計画の中心となる中性子検出器の建設や関連した準備作業を順調に遂行することができた。とりわけ水中の光の透過率の評価装置は、市販品を基に高度な再現性が得られるよう研究を重ね、修士論文としてまとめた。これにより計画実施の際に装置の状況を理解する重要な情報を得ることが可能となった点も、順調な進展を支えている。
過去のXMASSからのデータ解析による論文執筆や投稿、将来の検出器の研究開発なども順調に進めることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
中性子検出器を完成させ水シールドに純水を導入し、TPCの試験運転を行う。初期のデータで最初の物理成果を出す。
純化装置のコミッショニングから安定運転を成功させる。検出器の較正作業を通じて中性子検出器の検出効率を確認し、十分に理解する。中性子検出器に純化装置を導入し、硫酸ガドリニウムを用いた中性子検出器の運転を開始する。そして長期データを得ることにより当初目的である暗黒物質と核子の散乱断面積2×10-48cm2をを達成すべくデータ解析を行う。
XMASSの全データ解析を完成させ、１相型液体キセノン検出器での世界最高の暗黒物質の探索結果を得る。将来の検出器に用いることのできるMPPC等をこれまでより低バックグラウンド化することや、検出器からの新たな信号のチャンネルの発見を目指す。
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