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1 世界の暗黒物質直接探索実験 New generation WIMP search with an advanced gaseous tracker experiment 内容暗黒物質探索実験 NEWAGE 京都大学 宇宙線研究室 身内賢太朗 名古屋大学 GCOE プログラム 宇宙基礎原理の探求 若手分野横断セミナー

2 はじめまして 東大 みのわ研 (~2002) ボロメータを用いた暗黒物質探索実験 (D 論 ) 京大宇宙線研究室 (2002~) ガス検出器 μpicの節操無い各種応用 NEWAGE 実験 ライフワーク ICEPP シンポジウム 2009 年 11 月 26 日名古屋大学 GCOE セミナー 身内賢太朗

3 暗黒物質 2009 年 11 月 26 日名古屋大学 GCOE セミナー 身内賢太朗

4 暗黒物質の歴史 - 銀河の回転曲線 (1930s~) Annu. Rev. Astron. Astrophys. 29(1991)409 - 遠方銀河の重力レンズ効果 (1990s~) NASA WMAP TEAM - 宇宙マイクロ波背景輻射 (2002~

5 最近では - 宇宙電子線の観測 ATIC でエクセスあったり Fermi で否定されたり - SUSY@LHC も楽しみ 2009 年 11 月 26 日名古屋大学 GCOEセミナー身内賢太朗 PRL102(2009)181101

6 暗黒物質の候補 - バリオン :MACHOs : 元素合成によって上限 - 非バリオン : アクシオン ニュートラリーノ その他有象無象 クォークと反応

7 直接探索実験 2009 年 11 月 26 日名古屋大学 GCOE セミナー 身内賢太朗

8 暗黒物質の直接検出 ( 光 + 温度 ) DAMA(NaI) KIMS(CsI) XMASS(Xe) E R 検出 ( 光 ) 原子核 ( 光 + 電離 ) ZEPILINEⅡ/Ⅲ XENON10/100 (Xe) ArDM WARP(Ar) E R 検出 ( 電離 ) CRESST (CaWO4) 反跳 E R <~100keV 暗黒物質 HPGe E R 検出 ( 温度 ) ROSEBUD(LiF), COUPP,SIMPLE,PICASSO (CxFx) ( 電離 + 温度 ) CDMS(Ge) EDELWEISS(Ge)

9 おもな実験の比較 CDMS XENON DAMA/LIBRA ターゲット 半導体 (Ge,Si) 液体キセノン NaI 温度 10mK ~160K 常温 オペレーション 極難 難 易 質量 1kg 10kg 250kg ガンマ線除去 適用 適用 丌使用 最長データ取得 3ケ月程度 3ケ月程度 7 年 +4 年

10 世界の地下実験室 宇宙線起源のバックグラウンドを避けるために地下にもぐって実験 ヨーロッパ英国 フランススペイン イタリア他 アジア日本 韓国 北米米国 カナダ

11 XENON10: 液体キセノン

12 XENON10 ガンマ線除去

13 CDMS: ゲルマニウム

14 DAMA/LIBRA 唯一の positive results を主張 1997~DAMAで主張 CDMS 等に否定される 2008 年 LIBRAで再現! DAMA (-2002) detector NaI NaI LIBRA ( ) Mass 9.7kg 9 9.7kg 25 time 7 yeas 4 years exposure 0.29 ton year 0.53 ton year (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes)

15 ダークマターの季節変動 夏と冬の相対速度の差 スペクトルのレートにして数 % の変動

16 DAMA/LIBRA 250kg の NaI シンチレータ TAUP07

17 大体 +-2% 程度の変動

18 世界の暗黒物質探索 : まとめ 大質量 多手法検出器での凌ぎ合い SPIN-INDEPENDENT SPIN-DEPENDENT 2008 年 6 月 1 日第二回学術会議シンポジウム身内賢太朗 統計処理による BG subtraction

19 SI or SD? SUSY のパラメータ依存 どちらが探し易いかはわからない New Journal of Physics2(2000)14.1 SD SI 2009 年 11 月 26 日名古屋大学 GCOE セミナー身内賢太朗

20 方向感度を持つ実験

21 第四の情報 : 原子核飛跡 PRL73(1994)1067 原子核飛跡 原子核飛跡 +E R DRIFT

22 方向性 の重要性

23 飛跡検出のメリット 季節変動 (5% 以下 ) と比較して確実な証拠となる ( 前後の非対称度は最大で 10 倍 ) 検出の後には暗黒物質の性質解明 季節変動

24 CYGNUS 方向に感度を持った暗黒物質実験の workshop 2007 年に初回を立ちあげ 2009 年 5 月に 2 回目 10 デネブまでは 1500 光年程度

25 "WHITE PAPER" (arxiv ) 世界の実験 DRIFT( 英 ) DM-TPC( 米 ) NEWAGE( 京大 ) MIMAC( 仏 ) NIT( 名大 )

26 DRIFT( 英 ) 1990 年代 ~ 最大 (1m 3 ) BG Study 2mmピッチ読み出し 3 次元飛跡 DMに対する制限 : 未

27 DM-TPC( 米 ) 2007~ CCDで2D 飛跡分解能 飛跡の前後判定まだ地上実験

28 MIMAC マイクロメガスまだ小型 微細原子核飛跡検出

29 NIT( 名大 ) エマルジョン大質量 即時性 角度分解能 エネルギー閾値

30 NEWAGE 最新結果 西村 D 論 (2009) PLB 投稿中 検出器 Astroparticle Physics 31 (2009)185 地上実験 Physics Letters B 654 (2007) 58 実験提唱 Physics Letters B 578 (2004) 年 11 月 26 日名古屋大学 GCOE セミナー 身内賢太朗

31 NEWAGE 実用的なサイズのMPGD 初の制限 ガス循環システム〇原子核の前後判定 バックグラウンドレベル 2009 年 11 月 26 日名古屋大学 GCOE セミナー 身内賢太朗

32 そして NEWAGE 京大で開発した μpic 検出器 30cm 角検出器で地下実験中 CF4 ガス SD 探索 ガス部 μpic 検出器 NEWAGE-0.3a

33 飛跡検出 イメージング 中性子に反跳された陽子を検出 前方に散乱される様子が見えている WIMP フッ素の反跳で見たい現象をエミュレート CF 4 +C 4 H Cf run 30cm Z(drift) 0cm -15cm X 15cm 陽子飛跡の例 -15cm 252 Cf n ガス :CF4+C4H10 (10%) 0.2 気圧 252 Cf (NE45 zenith35 ) Y 15cm q γ p n 0 Cos γ 1 陽子の飛跡で描いた イメージ Jan 27, rd MPGD workshop

34 地上 ( 京大 ) での DM 探索実験 PLB654 (2007) 原子核飛跡を用いた手法では初めて 2006 年測定 exposure 0.15 kg days Cosθ 分布 ( keV) C F の原子核で描いた スカイマップ ( keV) 結果 DM の信号は X 2 テストで排除 方向に感度をもった初の制限 DM direction

35 最新結果 (2008 年 ) 観測 kg days スペクトル地上の 1/5 程度 : 新たな BG スカイマップフラットな cosq 分布

36 地下実験 first results 5400pb for 150GeV まだまだに見えるが BG を 1/10 に低減 0.1m 3 年の観測すれば

37 大型化のSTUDY( 地上 ) ドリフト長 50cm (CF4 152 torr) NEWAGE-0.3b ドリフト長 50cm (252Cf) 50cm のドリフト長に渡って良い応答 詳細な study へ

38 BG の低減 検出器内部の物質に含まれる崩壊によるα 線が主成分主にラドンとして侵入材料の選択とラドンの除去 U Th などの Measured gap a's (4 in the right fig.) estimation sum Fiducial radon g's

39 材料選択 自作のラドン計 (NEWAGE RD-1) 仕様 SUS 304 3mm 厚内面 電界研磨 窓無しPINフォトダイオード (10 10mm 2 S ) 動作環境 -375V Po + 静電捕集 / 9V 逆バイアス DAQ LPC (PCI-bus 40MHz FADC) PIN 150mm Φ225mm sample

40 NEWAGE RD-1 results (preliminary) TEST SOURCE (calibration to be done somehow ) GUILTY NOT GUILTY Kamioka rock μ-pic μ-pic base energy spectrum 216Po(Th) 214Po(U) 210 Po(U) 212Po (Th) Fluoro-plastic for TPC board 抵抗 GEMs time dependence 210Po テフロン板

41 中村発表 (JPS2009 秋 ) 冷却 (183K) ラドンを液化活性炭 ラドンを吸着 CF 4 検出器 μ-tpc CF 4 Rn ポンプ Rn の沸点 :211K CF 4 の沸点 :145K CF 4 Rn ポンプ流量 :300ml/min 冷却機 CF 4 活性炭 Rn 活性炭 Rn 冷却温度 :183K 活性炭 :159g Rn CF 4

42 rate [count/kg/days] 中村発表 (JPS2009 秋 ) MeV ピークの時間変化 冷却活性炭システム無し 冷却活性炭システム有り [day] 以下 count/kg/days count/kg/days ラドン :8% 以下に削減

43 NEWAGE のこのさき DAMA 領域の探索へ 3σ での到来方向非対称性検出感度 NEWAGE2014 (BG 1/10 0.1m 3 年 ) NEWAGE 2019 ( BG 1/100 1m 3 年 )

44 まとめ 暗黒物質の直接検出を目指して 世界中で研究がおこなわれています NEWAGE もそのうちのひとつです ご清聴ありがとうございました

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