高感度アルゴン検出器による低質量暗黒物質の探索

使用高灵敏度氩探测器搜索低质量暗物质

• 批准号: 18J13018
• 负责人: 木村 眞人
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J13018/
• 关键词: 暗黒物質; 液体アルゴン検出器; TPC; 素粒子実験; 放射線検出器; 暗黒物質探索; 放射線

令和元年度の研究として，(1) 液体アルゴン検出器の改良，(2) 低エネルギー背景事象の理解，の双方に取り組み，最高感度での低質量暗黒物質探索に必須な検出器の低エネルギー閾値化を進めた。前年度までに，光電子増倍管（PMT）を用いた検出器によって世界最高の液体アルゴン光検出効率を達成していた。これを受け本年度はより高い光検出効率を持つ光増倍管であるシリコン光検出器（SiPM）の導入を行い，検出効率を更に向上させた。小型の液体1相検出器による試験を行い，約25 p.e./keVの検出光量を確認した。これは従来の約2倍の値である。この成果によって，シンチレーション光波形の持つ強力な背景事象分離能力を活用した暗黒物質探索が現実的なものとなった。また，暗黒物質探索において最後まで残る背景事象である低エネルギー電子反跳事象および環境中性子事象について，それらに対する検出器応答や残存量を前年度末に取得したデータ解析から評価した。前者については，アルゴン中の放射性同位体37Arを含む多種多様なエネルギーを持つガンマ線源を用いたデータの取得を通じて検出器応答の包括的理解を得た（学術論文投稿済，現在査読中）。特に37Arは内部背景事象源であり，測定されたレートも背景事象量を評価する上で重要な情報である。また後者については，シールドおよびヴェト検出器によって宇宙線や環境ガンマ線を十分遮蔽した上で環境中性子事象を観測し，Geant4シミュレーションとの比較を通じて実験場所（早大構内の半地下実験室）における中性子フラックスを評価した。本年度までに得られた種々の背景事象に対する理解をもとにガンマ線および中性子シールドを構築し，小型高感度検出器を用いることで液体アルゴンを用いた低質量領域の暗黒物質を探索する予定である。

作为 2019 年研究的一部分，我们将致力于 (1) 改进液氩探测器和 (2) 理解低能量背景现象。直到去年，使用光电倍增管（PMT）的检测器才实现了世界上最高的液氩光检测效率。针对这一点，今年我们推出了硅光电探测器（SiPM），一种光电探测效率更高的光电倍增管，进一步提高探测效率。我们使用小型液体单相检测器进行了测试，并确认检测到的光量约为 25 p.e/keV。这大约是之前值的两倍。这一结果使得利用闪烁光波形分离背景事件的强大能力来寻找暗物质成为可能。此外，我们根据前一年年底获得的数据分析，评估了暗物质搜索中直到最后残留的背景事件低能电子反冲事件和环境中子事件的探测器响应和残留量。对于前者，我们通过使用各种能量的伽马射线源（包括氩气中的放射性同位素37Ar）进行数据采集，对探测器的响应有了全面的了解（学术论文已提交，目前正在审稿中）。特别是，37Ar是内部背景事件源，测量的速率也是评估背景事件量的重要信息。对于后者，我们将用屏蔽和 Veto 探测器充分屏蔽宇宙射线和环境伽马射线后观察环境中子事件，并将结果与​​ Geant4 模拟进行比较，以确定实验地点（早稻田大学校园半地下实验室）的中子通量）进行了评估。我们计划根据今年迄今为止获得的各种背景现象的了解构建伽马射线和中子屏蔽，并使用小型、高灵敏度探测器利用液氩来搜索低质量区域中的暗物质。

项目成果

Low Energy Response on Nuclear- and Electronic Recoils in Liquid Argon Detector for WIMP Search

用于 WIMP 搜索的液氩探测器中核和电子反冲的低能响应

• 发表时间: 2019
• 作者: Masato Kimura;Kazutaka Aoyama;Tomomasa Takeda;Masashi Tanaka;Kohei Yorita;木村眞人
• 通讯作者: 木村眞人

Measurement of the scintillation efficiency for low energy nuclear- and electronic-recoils in liquid argon detector for WIMP search

用于 WIMP 搜索的液氩探测器中低能核和电子反冲闪烁效率的测量

• DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012055
• 发表时间: 2020
• 期刊: Journal of Physics: Conference Series
• 作者: Huang Jing;Tan Baolin;Masuda Satoshi;Cheng Xin;Kumar Bisoi Susanta;Melnikov Victor;Kimura Masato
• 通讯作者: Kimura Masato

ANKOK実験33：³⁷Ar事象等を利用した低エネルギー電子反跳事象の発光特性

ANKOK实验33：利用³⁷Ar事件等的低能电子反冲事件的发光特性。

• 发表时间: 2019
• 作者: Masato Kimura;Kazutaka Aoyama;Tomomasa Takeda;Masashi Tanaka;Kohei Yorita;木村眞人;Masato Kimura;Masato Kimura;木村眞人
• 通讯作者: 木村眞人

ANKOK実験32：低エネルギー領域の電離電子信号の特性評価

ANKOK 实验 32：低能区电离电子信号的表征

• 发表时间: 2019
• 作者: Pouteau;Y.;Motte;F. ;Nony;T. ;Galvan-Madrid;R. ;Men'shchikov;A. ;Bontemps;S. ;Robitaille;J.;Louvet;F. ;Ginsburg;A. ;Herpin;F. ;Lopez-Sepulcre;A. ;Dell'Ova;P. ;Gusdorf;A. ;Sanhueza;P. ;Stutz;A. M. ;et al.;鶴田康介，渡邉恭子，増田智，Sam Krucker;木村眞人
• 通讯作者: 木村眞人

Status and prospect of the ANKOK project: Low mass WIMP dark matter search using double phase argon detector

ANKOK项目现状与展望：利用双相氩探测器进行低质量WIMP暗物质搜索

• DOI: 10.1088/1742-6596/1342/1/012069
• 发表时间: 2020
• 期刊: Journal of Physics: Conference Series
• 作者: Kimura Masato;Tanaka Masashi;Yorita Kohei
• 通讯作者: Yorita Kohei