Study of new physics with electron-recoil events in the XENONnt and further breakthrough with a hermetic liquid xenon TPC

研究 XENONnt 中电子反冲事件的新物理学，并通过密封液态氙 TPC 取得进一步突破

基本信息

批准号：
21H04466
负责人：
伊藤好孝
金额：
$ 26.87万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

今年，XENONnT实验的两项初步结果公布，暗物质搜寻取得重大进展。使用 XENONnT 实验的初始数据 SR0 验证了前身 XENON1T 实验在 2020 年报告的过量低能电子反冲事件。我们成功地将内部氡产生的电子反冲背景降低到XENON1T实验的1/5，并利用大约1吨年的观测数据，我们反驳了XENON1T实验所暗示的电子反冲事件过多的结果。并获得了对轴子等新物理的强约束。该结果于今年 7 月发布，是 XENONnT 的第一个物理结果。此外，我们利用SR0数据利用核反冲力寻找重暗物质，但没有发现重要证据。由于背景事件减少的作用，与XENON1T实验相同的统计数据，灵敏度提高了1.7倍，暗物质与核子之间90%的自旋无关散射截面上限为2.58x10** -47cm** 有 2 个。我们于今年三月发布了有关这些结果的新闻稿。关于密封TPC的开发，德国弗莱堡大学开发了一种不使用石英法兰容器，利用聚四氟乙烯圆筒和光电倍增管玻璃之间热膨胀系数的差异进行低温密封的方法，因此我们决定。继续开发密封 TPC。以这项联合研究为中心的国际暗物质创造单位被选为大学内的尖端国际研究单位，并于9月开始运作。同时，为了开发石英导电薄膜涂层电极，在真空、气体、我做到了。结果发现，氟化镁具有最低的量子效率，并且作为用于抑制由氙闪烁光本身引起的背景光电子发射的材料是有效的。