VUV MPPC study

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1 VUV MPPC の性能評価 2014/12/5 B02 班主催第 2 名古屋大学 早大寄田研 ANKOK 実験 M2 鷲見貴生

2 暗黒物質 (WIMP) とその直接探索 暗黒物質存在の示唆 宇宙論的観測 ( 宇宙背景輻射 大規模構造 etc.) 天文学的観測 ( 銀河の回転曲線 重力レンズ etc.) 標準模型を超える理論 (SUSY, 超弦理論 etc.) 暗黒物質の存在はほとんど揺るぎない事実 見つけたら即 BSM WIMP 直接探索 散乱された原子核のエネルギーを捉え検出する SUSY region (~1TeV) Low mass region (~10GeV) - いくつかの実験 ( 固体検出器 ) が発見を主張 - 最高感度実験 (Xe2 相型 ) では棄却 今年新たに結果を出した実験 -SuperCDMS (Ge) -PandaX Low mass を狙う Xe2 相型 -DarkSide50 (commissioning run) Ar2 相型 DS50 PandaX

3 L.Y. L.Y. アルゴンによる暗黒物質探索 アルゴンシンチレーション光 主に 128nm ( 真空紫外光 ) 発光量 :40 photon/kev ee 時定数の異なる 2 成分 (fast slow) 詳細は後ほど fast fast : τ~6ns : τ~6ns slow : τ~1.5μs (LAr) ~3μs (GAr) slow : τ~1.4μs (LAr) ER ~3μs (GAr) NR 気液 2 相型アルゴン光 TPC 検出器 Nuclear Recoil χ, n S1 fast slow S2 Electron Recoil drift time time γ, β time 2つの方法で背景事象 (γ, β) を分離する 1 S1 信号の波形弁別 (PSD) 2 S1とS2の光量比 S2を使うことで高い位置分解能を獲得 (Δz<1mm)

4 ANKOK 目標 小型 高感度のアルゴン 2 相型検出器で 10GeV 付近の Low Mass WIMP を探索する 数値目標 エネルギー閾値 < 10keV nr 光検出効率 > 10pe/keV ee 分離能力 > 10 nr これが達成できれば 比較的短期間の実験で右のような結果が出せる 他 Ar 実験との比較 実験 閾値 有効質量 運用期間 WArP 42 kev nr 3.2 kg 1ヶ月 DarkSide kev nr 44.1 kg 3 年 DEAP kev nr 3600kg 3 年 ANKOK 10 kev nr 10 kg 10 日 /1 年

5 X-Y MPPC(Mulch Picxel Photon Counter) 浜松ホトニクス製の小型半導体光検出器 優れたフォトンカウンティング能力 低電圧 (~60V) で動作 高電磁場の影響を受けない 複数の APD から構成され高 Gain(10 5 ~10 6 ) ANKOK 実験での用途 気相側面を取り囲む MPPC で S2 を検出 1cm φ30cm H30cm 検出器シミュレーション 検出光子数の角度分布 XY 方向の位置分解能が向上 (PMT と相補的 ) 壁際付近で発生する BG を除去できると期待 30cm 30cm

6 スペクトル強度 アルゴン蛍光の特徴と VUV MPPC 3X3MM-50UM VUV2 50 GAr(NIR) 40 MPPC 30 市販 MPPC 20 PDE Ar(VUV) S C 10 [%] GAr only 波長 [nm] VUV 成分 (~128nm) ガスアルゴン / 液体アルゴンともに主要な発光 Fast(~6ns) と Slow( ガスで ~3μs, 液体で ~1.5μs) UV 成分 (150~300nm ガスのみ ) NIR 成分 ( 気体 :700~850nm, 液体 :250nm~1um) Slow は非常に少なく 時定数も短い (~1μs) VUV MPPC PMTで取得した波形 VUV(gas) NIR(gas) 浜ホトにて開発中のサンプルを早稲田でテストし 結果を報告 呼称型番シリアル No 推奨電圧 gain Dark rate UV MPPC S C A V MHz VUV MPPC1 3X3MM-50UM VUV2 A V MHz VUV MPPC2 3X3MM-50UM VUV2 A V MHz

7 信号電圧 [a.u.] ガスアルゴン蛍光検出 (2014 秋 JPS) 1 VUV PMT VUVMPPC 市販 MPPC Slow 時定数 ~ 3μs (128nm に特有 ) VUV MPPC で見えた! 128nm 光の直接検出 市販 MPPC の信号は赤外 > 640nm > 900nm

8 低温基礎特性試験 : セットアップ VUV MPPC1(3X3MM-50UM VUV2 A0010) を使用 Discriminator Function Generator 直流電源 LED Driver HV PMT 暗箱 LED (415nm) 光ファイバー 光量モニター信号 trigger MPPC 信号 浜松回路 C12332 電源基板 Pt 抵抗 1 Pt 抵抗 2 MPPC 自作センサー基板 窒素ガス FADC 直流電源 窒素ガス 液体窒素

9 低温基礎特性試験 :Gain G = C(V bias V break down ) e V bias = 56.10V (V over = 2.60V) μ=0.27 3X3MM-50UM VUV2 A0010 行き 帰り DataSheet

10 低温基礎特性試験 :Gain G = CV over e 3X3MM-50UM VUV2 A0010 行き 帰り

11 低温基礎特性試験結果 3X3MM-50UM VUV2 A0010 Breakdown Voltage Dark Rate V over = 2.6V Light Leak による上限 信号電荷 Gain 変化のみ Over Voltage が 1.5V を越えたあたりから信号電荷が Gain の増加に比べ大きくなる ( 詳細 : 次頁 ) これは温度に依らない

12 PDE と cross-talk の切り分け (-180 ) 電荷分布 ポアソン分布 V over = 1.5V 平均波形 V over = 3.0V V over = 1.5V 0 p.e. 事象数 74% P μ (0) = e -μ 電荷積分領域 -20~+100ns 0 p.e. 事象数 64% V over = 3.0V 非常に長いテール (~400) 検出光子数期待値は μ = 0.30 photon 0.45 photon 電圧依存 cross-talk の影響 信号電荷 Gain 統計的に算出した検出光子数 (PDE 変化 ) V ov (V)

13 1m 液体アルゴン試験 : セットアップ 30cm α Box 宇宙線トリガー 1 cm α 線源 ( 241 Am) VUV 宇宙線トリガー VUV MPPC2 α Box cosmic Box α 線 (5.2MeV) による LAr 蛍光を測定 期待される入射光子数 ~480photon cosmic Box 液体アルゴン ( nm 発光 ) 宇宙線 μ VUV MPPC1 VUV UV MPPC 真空断熱容器 宇宙線による LAr 蛍光を測定 外部シンチでトリガー

14 )) )) 液体アルゴン試験 : 信号波形 宇宙線 μ LAr 蛍光の直接検出に成功 Slow 時定数 ~ 1.4μs α 線 50X50MM-VUV2 A0010 S C A X50MM-VUV2 A0011 MPPC 粒子 Bias Voltage Over Voltage S C A0021 宇宙線 μ 57.00V 3.65V 50X50MM-VUV2 A0010 宇宙線 μ 57.50V 4.00V 50X50MM-VUV2 A0011 α 線 57.00V 3.80V

15 液体アルゴン試験 : 信号量 PDE α 線源 ( 241 Am) cross-talk を除いた PDE 1 cm VUV VUV MPPC2 発光量 : photon MPPC 受光面の立体角 :0.7% 入射光子数 ~480 photon V bias = 55.80V (V over = 2.6V) ~60 p.e. 発光量の絶対値や取付位置など 不定性大 現在鋭意解析中

16 まとめ ANKOK 実験 (Argon Nisougata Kenshutuki OK) は気液 2 相型アルゴン光検出器による Low Mass WIMP 探索実験 液体アルゴン蛍光 ( nm) を検出するために色々がんばっている VUV MPPC の研究開発 性能評価を行っている サンプル MPPC で液体アルゴン蛍光の検出に成功 アルゴン蛍光検出効率の絶対値を決めようと解析中

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