Migdal effect observation with position-sensitive gaseous detectors

使用位置敏感气体探测器观察 Migdal 效应

基本信息

批准号：
21H04471
负责人：
身内賢太朗
金额：
$ 26.96万
依托单位：
Kobe 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

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04471/
关键词：
ミグダル効果暗黒物質ガス検出器 TPC 原子核反跳マイクロTPC

项目摘要

暗黒物質の直接探索実験は、2相式液体キセノンを用いた大質量検出器が数10GeV以上の質量で制限を更新してきた。さらに2019年には、「ミダル効果」を用いることで、1GeV程度の低質量暗黒物質まで探索感度を伸ばした。ここで、ミグダル効果は理論的に計算されているが、実験的には未観測の現象である。つまり、今後キセノン検出器で低質量暗黒物質の探索、場合によっては発見の主張を行うためには、ミグダル効果の実証が必要不可欠となる。我々は独自の技術に基づく位置有感ガス検出器「マイクロTPC」を用いることで、ミグダル効果に特徴的な空間的情報を検出可能であることを考案、中性子照射実験によってミグダル効果の観測について具体的なバックグラウンドを考慮した計算を行った。本提案では、この計算に基づいて、ミグダル効果の初観測を目指す。ミグダル効果を観測するために、30cm角の位置有感ガス検出器「マイクロTPC」が必要である。2022年度には、30cm角実機の製作準備として30cm角のuPICを製作した。製作した30cm角のマイクロTPCを使って産業技術総合研究所の中性子ビームを用いた試験を行い、ビーム環境下での検出器動作、原子核反跳の検出能力を評価した。同時に、分担者の中村を中心として、シンチレータによるビーム環境下の物質起源のバックグラウンド(BG)測定を行った。これら結果を活かして、2023年度にマイクロTPCの改良を行い、ミグダル効果観測に向けた中性子ビーム試験を行う。XENON実験では、分担者の風間を中心として、XENONnT実験での暗黒物質探索をすすめ暗黒物質探索についての最初の結果を発表した。分担者の伊部はミグダル効果を含んだ各種暗黒物質理論を進めた。

在直接寻找暗物质的实验中，使用两相液态氙的高质量探测器的质量极限已更新至数十GeV或更高。此外，2019年，利用“米达尔效应”，搜索灵敏度扩展到约1 GeV的低质量暗物质。这里，虽然从理论上计算了米格达尔效应，但它是一种实验上未观察到的现象。换句话说，为了将来使用氙探测器寻找低质量暗物质，并在某些情况下声称发现它，必须证明米格达尔效应。我们设计出可以通过使用基于我们独特技术的位置敏感气体探测器“Micro TPC”来检测Migdal效应特征的空间信息，并通过中子辐照实验专门研究了Migdal效应的观测和计算。考虑到背景进行在本提案中，我们的目标是基于此计算首次观察到 Migdal 效应。为了观察Migdal效应，需要一个30cm见方的位置敏感气体探测器“Micro TPC”。 2022年，我们生产了30cm见方的uPIC，为制造30cm见方的实际器件做准备。我们使用制作的30cm见方的微型TPC，利用日本产业技术综合研究所的中子束进行了测试，以评估探测器在束流环境下的操作及其检测核反冲的能力。与此同时，主要由同事中村（Nakamura）使用闪烁体测量了光束环境中材料来源的背景（BG）。利用这些成果，我们将在2023年改进微型TPC并进行中子束测试以观察米格达尔效应。在XENON实验中，合著者Kazama在XENONnT实验中推动了对暗物质的寻找，并公布了寻找暗物质的第一个结果。同事伊部提出了各种暗物质理论，包括米格达拉效应。