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First Results from the XENON10 Dark Matter Search at Gran Sasso

First Results from the XENON10 Dark Matter Search at Gran Sasso. Colloquium 22.May 2007 高エネルギー研究室 M2 五味 慎一. Abstract. XENON10 は、直接的な Dark Matter の観測実験である。 液相 / 気相の、 2 相についての Xe をターゲットとして用い、 WIMP(= Weakly Interacting Massive Particle) の観測を目指す。. Introduction. Dark Matter の理解

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First Results from the XENON10 Dark Matter Search at Gran Sasso

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Presentation Transcript

  1. First Results from the XENON10 Dark Matter Search at Gran Sasso Colloquium 22.May 2007 高エネルギー研究室 M2 五味 慎一

  2. Abstract • XENON10は、直接的なDark Matterの観測実験である。 • 液相/気相の、2相についてのXeをターゲットとして用い、WIMP(= Weakly Interacting Massive Particle)の観測を目指す。

  3. Introduction

  4. Dark Matter の理解 宇宙物理での重大なチャレンジ XENON10 XENON10 質量を持った、Cold Dark Matterの探索 ・ 大スケール構造 近年の宇宙の観測結果 ・ 高赤方偏移スーパーノヴァ ・ 宇宙のマイクロ波バックグラウンドの異方性 宇宙の、Concordance Modelと呼ばれる構造

  5. WIMP( = Weakly Interactive Massive Particle) 相互作用が弱い、質量を持った新粒子 WIMP ・・・ ごく初期の超高温・高圧の宇宙では、クォーク・レプトンと平衡状態にあり、宇宙が非相対論的な環境に落ち着いた時に分離した。 Dark Matter の候補 もし WIMP が Dark Matter なら、銀河系ハロにおけるWIMPを実験室で観測することができるはずである。

  6. WIMP-原子核弾性散乱実験 WIMPが原子核と弾性散乱することによる、原子核の反跳を観測することで、WIMP-原子核散乱断面積を求める WIMP質量＝10GeV~10TeV 地球上で観測できる原子核の反跳エネルギーは~100keV以下程度

  7. 過去の実験データ 赤・・・Edelweiss 桃・・・WARP 緑・・・Zeplin-Ⅱ 青・・・CDMS-Ⅱ SUSY model

  8. Set Up of XENON10 Experiment

  9. Gran Sasso 実験施設 XENON10

  10. 検出器としての各希ガスの性能表一覧 液体になった希ガスは、シンチレーション光・イオン化による電子シグナル、の両方を出す。

  11. なぜ希ガスを使うのか？ • 原子核・電子の反跳の区別が容易い • シンチレーション光の時間幅 • イオン化・シンチレーション比 • 高いシンチレーション発光 • 低いエネルギーのthresholdをかけれる。 • 密度が高いことによる、再構築の容易さと振る舞いの良さ • Self Shielding が可能。 • 位置分解能が非常に高い • Dark MatterのCross sectionについて、σ~10-46cm2 =1event/100kg/year( Ge, or Xe )のレベルの精度まで見ることが出来る。 • コストが低く、多量に用意することが容易い

  12. Mechanism & Experiments 液体Xe、気体Xeの両方を用いた、”Double Phase” Single Phase シンチレーション光のみ Double Phase シンチレーション光 + イオン化電子シグナル 電場によって電子をドリフトさせる(kV/cm)

  13. The XEXNON10 Detector WIMPのXe原子核による散乱による反跳エネルギーの観測から、Dark Matterの探索を行う • 直径20cm×高さ15cm • 15kgの液体Xe • HPK製PMT、R8520-06AL×89個 • 1インチ角の四角形PMTで、高さは35mm。 • 天井部に48PMT、底部に41PMT (液体Xeに浸る) 気体Xe = ガスプロポーショナルシンチレーション 液体Xe = シンチレーション

  14. The XENON10 Detector

  15. XENON10 Event Discrimination 2種類のシグナル S1・・・液体Xeでのシンチレーション光 S2・・・気体Xeでの、2次的な引き出され加速された電子によるシンチレーション光

  16. XENON10 Event Discrimination 実際に測定されたデータを見てみる。 S1は同程度 S2は大きく異なる この比の違いを用いて、ER event ( = Back Ground )をNR eventから取り除くことを考える。

  17. 実験環境 Xeの冷却  パルスチューブ冷却装置で冷却 Xeの純度  残留ガスの吸着装置内を循環 6ヶ月という長い実験期間において非常に安定している

  18. XENON10 Live Time 今回はこの79日分に相当するWIMP探索の結果について報告を行う。

  19. XENON10 events Multiple Scatter

  20. XENON10 events Events Below Cathode “ Fake WIMPs “

  21. Calibration Method&Blind Cuts

  22. Gamma Calibration( 57Co & 137Cs ) 57Co,137Cs γ線源を用いる。 XENON10 Energy Scale 374pe 1464pe = 3.1 pe/keV = 2.2 pe/keV

  23. Gamma Calibration 137Csを用いて、xy平面でのS2シグナルのvertexの位置の再構築をテストする。 σ~1mmの位置分解能 置いた137Csの位置がはっきりと確認できる。

  24. Gamma Calibration with n-activated Xe 252Cfを用いて、Xeを放射化させる。 放射化させたXeをXENON10へ入れ、164keV・236keVのγを見ることで、S1・S2シグナルの位置についての依存性を見る。

  25. Position Dependence of S1 & S2 Signal n-activated Xeを用いた測定による、この位置依存性を考慮することで、Back Groundを排除する効率が向上する。

  26. Calibration with n source( AmBe ) 中性子線源として、AmBeを用いる。(200neutron/s) 中性子線源のデータは原子核反跳(NR)であり、WIMPのシグナルの予言される領域に現れる。これを先のERの結果と分離することが出来るかが、検出器の性能を与える。 AmBeを用いた測定結果とMCとの比較。 threshold~10keV 良く一致している。

  27. XENON10 Background Rejection Power 137Csγ線源・・・( ER-band ) AmBeneutron・・・( NR-band ) 50%のAcceptance( Mean~-3σ ・・・下半分 )において、~99.5%の、rejection powerを有する。特に、低エネルギー領域では99.9%にもなる。

  28. XENON10 Blind Analysis Cuts WIMPの探索に関して、3つのカットをかける • QC0・・・Basic Quality Cut • ノイズ・WIMP探索に意味の無いイベントの除去

  29. XENON10 Blind Analysis Cuts • QC1・・・Fiducial Volume Cut • Xeの自己シールドの考慮によるBackground事象の除去 Fiducial Volumeとして、r<80mm ・ 15<dt<65 [us] Fiducial Mass = 5.4kg : Backgroundは、~0.6/kg d keVee

  30. XENON10 Blind Analysis Cuts • QC2・・・High Level Cut • 天井PMT・底部PMTにおけるシグナルの比に基づいたカット。変則的なS1シグナルイベントを取り除く。 Gamma-X event 1回目の散乱が｢Cathodeの下｣で起こると、電子が電場から力を受けないためにS2シグナルが出ない。 2回目の散乱が｢Cathodeの上｣で起こると、通常通りS1・S2が生じる。 結果、S1が大きく出、(S2/S1)が小さく見えWIMPに見えてしまう。

  31. Result of XENON10 Experiment

  32. WIMP Search Data log10(S2/S1) の5個 XENON10 WIMP Search Data with Blind Cuts WIMP Box ~50% Acceptance NR [Mean -3σ] 2~12 keVee 10 events ER-bandのGAUSSIANのテール

  33. XENON10 WIMP Search Data with Blind Cuts WIMP Search Data の5個 ER-bandの寄与ではない。 log10(S2/S1) ×・・・Gamma-X ×・・・missing S2 event 残った最後の1個も、WIMPであるとは考えられない。 cut acceptanceの1%の変化に紛れて混入してしまったのか

  34. XENON10 Experiment Upper Limit 結果として、WIMPによる事象を見つけることは叶わなかったが、Cross-sectionを計算することはできる。 Factor 6 過去の測定結果を更新した。

  35. Cross-section [cm2] ( normalized to nucleon ) Future Plan ・・・Dark Matter探索の実験がまだまだこれからも計画されている。 今後も液体希ガスを用いた実験は、コストやパフォーマンスの面から見ても実現が容易なので、続けられるだろう。

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