原子核反跳による宇宙暗黒物質の直接探索

利用核反冲直接寻找宇宙暗物质

基本信息

批准号：
02J04485
负责人：
吉田斉
金额：
$ 2.5万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

宇宙の構成物質の大部分は光を放出しない暗黒物質で構成されていることが、近年の観測から確実視されており、その暗黒物質の候補としてWIMPs(Weakly Interacting Massive Particles)が有力視されている。本研究では、フッ化カルシウムシンチレーション検出器(以下CaF_2検出器)を使用し、検出器中の^<19>Fと暗黒物質の弾性散乱による反跳エネルギーの検出を通して探索を行うことを目的としている。一般的にシンチレーションを利用する場合、ガンマ線などで較正した電子換算エネルギーと原子核による反跳エネルギーの間には消光係数を介した関係があり、実際に観測される反跳エネルギーを知るためには消光係数を測定することが不可欠である。今年度の研究では、暗黒物質と^<19>F原子核の散乱による反跳エネルギーを較正するため、単色中性子ビームを使用して^<19>F原子核のCaF_2検出器中での消光係数を測定した。検出器は、発光材で活性化していないCaF_2検出器(以下CaF_2(pure))を使用し、反跳エネルギー100keV(実際にWIMPsとの散乱で得られる反跳エネルギーの領域)付近で14%程度であり、エネルギーが減少するに従って大きくなることがわかった。この結果は一般的に使用されるユーロピウム活性化CaF_2検出器(CaF_2(Eu))と同程度の値である。これによりCaF_2(pure)検出器が暗黒物質直接探索において有力な検出器であることを証明することに成功した。また、暗黒物質探索においてはバックグラウンドとなるガンマ線と原子核反跳の事象の弁別能力の向上が、バックグラウンドの低減化を実現し、感度の向上に直接結びつく。重イオンビームならび大強度ガンマ線源を利用してCaF_2(pure)シンチレーション検出器の発光波長の粒子依存性を調べ、粒子によって発光波長に大きな違いがあることを確かめた。

最近的观测证实，宇宙中的大部分物质是由不发光的暗物质组成，而WIMP（弱相互作用大质量粒子）被认为是暗物质的有希望的候选者。在本研究中，我们使用氟化钙闪烁探测器（以下简称CaF_2探测器），旨在通过探测^<19>F和暗物质在探测器中的弹性散射产生的反冲能量来进行搜索。通常，在使用闪烁时，通过伽马射线等校准的电子等效能量与原子核的反冲能量之间存在通过消光系数的关系，因此必须测量该系数。今年的研究使用单色中子束在CaF_2探测器中测量^ 19 F核的消光系数，以校准由于暗物质和^ 19 F核散射引起的反冲能量。探测器采用未用发光材料激活的CaF_2探测器（以下简称CaF_2(pure)），反冲能量在100keV左右约为14%（实际用WIMP散射得到的反冲能量面积）发现它随着能量的减少而增加。该结果与常用的铕激活CaF_2探测器（CaF_2(Eu)）的结果相当。结果，我们成功证明了CaF_2(纯)探测器是直接寻找暗物质的强大探测器。此外，在寻找暗物质时，提高区分背景伽马射线和核反冲事件的能力将减少背景，直接导致灵敏度的提高。我们研究了使用重离子束和高强度伽马射线源的CaF_2(纯)闪烁探测器的发射波长的粒子依赖性，并证实了发射波长随粒子的不同而存在很大差异。