[論文レビュー] Direction-sensitive dark matter search with a low-background gaseous detector NEWAGE-0.3b''

Tomonori Ikeda, Kiseki Nakamura+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、低アルファ線放出率のマイクロピクセル・チャンバ（LAµ-PIC）を装備した低バックグラウンドの気体タイムプロジェクション・チャンバ（NEWAGE-0.3b"）を用いて、初めての方向的ダークマター探索を提示する。実験は、100 GeV/c²のWIMPに対して90%信頼水準の上限として50 pbのスピン従属WIMP-陽子断面積を得た—これは、これまでで最も厳しい方向的制約である。

ABSTRACT

NEWAGE is a direction-sensitive dark matter search using a low-pressure gaseous time projection chamber. A low alpha-ray emission rate micro pixel chamber had been developed in order to reduce background for dark matter search. We conducted the dark matter search at the Kamioka Observatory in 2018. The total live time was 107.6 days corresponding to an exposure of 1.1 kg${\cdot}$days. Two events remained in the energy region of 50-60 keV which was consistent with 2.5 events of the expected background. A directional analysis was carried out and no significant forward-backward asymmetry derived from the WIMP-nucleus elastic scatterings was found. Thus a 90% confidence level upper limit on Spin-Dependent WIMP-proton cross section of 50 pb for a WIMP mass of 100 GeV/c2 was derived. This limit is the most stringent yet obtained from direction-sensitive dark matter search experiments.

研究の動機と目的

• 放射性核種を低減した新規のLAµ-PICを用いて、低バックグラウンドで方向に敏感なダークマター検出器を開発すること。
• 背景抑制を向上させた状態で、神岡研究所で方向的ダークマター探索を実施すること。
• 方向解析を用いて、スピン従属WIMP-陽子断面積の新たな厳密な上限を設定すること。
• 高純度材料と高度なトラッキング技術が表面および環境的バックグラウンドを低減する有効性を検証すること。

提案手法

• スピン従属WIMP-核子散乱検出を強化するため、76 TorrのCF4ガスを用いた低圧気体マイクロタイムプロジェクション・チャンバ（µTPC）を採用した。
• ガラス布の代わりにエポキシ/ポリイミド表面を用いた新開発のLAµ-PICを採用し、U/Th汚染を100分の1に低減した。
• 安定した信号増幅を実現するためガス電子倍増器（GEM）を統合し、一様な電場を確保するためTPC電場キャリブレート装置を設置した。
• 100 MHz FPGAベースの読み出しシステムを用いて、3次元軌道再構成に必要なヒットパターンと時間超過しきい値（TOT）を記録した。
• 波形デジタイザを用いて電荷信号からのエネルギー損失を測定し、正確なエネルギーキャリブレーションを可能にした。
• WIMP-核子散乱に一致する前後方向の非対称性を用いた方向解析により、WIMP信号を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低バックグラウンドのLAµ-PICは、方向的ダークマター探索における表面アルファ線バックグラウンドを顕著に低減できるか？
• RQ2 µTPCにおける核反発軌道の方向解析により、WIMP-核子散乱に一致する前後方向非対称性が検出可能か？
• RQ3 高純度部品を備えた低圧気体TPCを用いた方向に敏感なダークマター実験の最終的感度はどの程度か？
• RQ4 環境中のガンマ線、中性子、残留ルビジウムは、50–60 keVエネルギー窓におけるバックグラウンドにどの程度寄与するか？
• RQ5 負イオンガスTPCにおけるz座標のフィducial化は、表面バックグラウンドをさらに低減できるか？

主な発見

• NEWAGE-0.3b"検出器は、神岡研究所で107.6日間のライブタイムを経て、合計1.1 kg·daysの露出量を達成した。
• 50–60 keVエネルギー窓ではわずか2件のイベントが観測され、予想される2.5件のバックグラウンドと整合的であった。
• 顕著な前後方向非対称性は観測されず、方向的WIMP信号の証拠は得られなかった。
• 100 GeV/c²のWIMP質量に対して、スピン従属WIMP-陽子断面積の90%信頼水準の上限として50 pbを設定した。
• これは、以前の最良の方向的制約よりも15倍も厳しく、これまでで最も厳しい方向的ダークマター制約である。
• バックグラウンドは主に環境ガンマ線と中性子に起因し、LAµ-PICからの残留表面アルファ線は信号窓で1.2×10⁻¹件未満にとどまった。