Search for cosmic dark matter by highly radiopure NaI(Tl) scintillator

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H00688
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: FUSHIMI Kenichi 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (90274191)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 宇宙暗黒物質 / シンチレーター結晶 / 化学分離 / 放射線計測

Outline of Final Research Achievements

A high-purity NaI(Tl) detector has been developed to search for cosmic dark matter. The initial plan was to manufacture multiple large crystals with a mass of about 6 kg to improve the sensitivity. In the course of promoting the research plan, it became necessary to improve the purity of the crystal further, so it was decided to change the policy and promote higher purification.
In order to obtain high-purity NaI(Tl) crystals, we investigated the purification process of raw materials in detail. We developed a hybrid purification method that combines the removal of radioactive potassium by recrystallization and removing radioactive lead by ion exchange resin. As a result, we achieved the target for the purity of 210Pb, 40K, and other radioactive isotopes. We succeeded in paving the way for higher sensitivity by increasing the size in the future.

Free Research Field

素粒子・宇宙線・原子核の実験

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

宇宙暗黒物質探索実験は、宇宙物理学、素粒子物理学の最重要課題の一つである。様々なモデルによって提案されている宇宙暗黒物質の候補を探索する実験は、高感度の放射線検出器を応用して実行されているが、確定的な信号は未だに捉えられていない。
本研究ではタリウム添加ヨウ化ナトリウム結晶(NaI(Tl)と略記する）を用いた宇宙暗黒物質探索の感度を向上させるために結晶の純化に取り組んだ。その結果世界で最も高純度な結晶を製造することに成功した。この成果を応用することで世界の宇宙暗黒物質探索実験のみならず、重ベータ崩壊探索実験など極高感度の実験に対する感度を飛躍的に向上させることができる。