[論文レビュー] Directional dark matter search with nuclear emulsions

А. Александров|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、ナノメートルスケールの銀臭化ホワイト（AgBr）結晶を用いて、WIMP散乱によるサブミクロンスケールの核反発軌跡を検出可能な核エマルジョンを標的およびトラッカーとして用いる方向性暗黒物質探索を提案する。1 kgのパイロット実験を6年間で実施する計画であり、空間分解能100 nm、角度分解能235 mradを達成し、DAMAが許容する領域での高感度検出が可能であり、内部的バックグラウンドがほとんどなく、100 kg規模へのスケーリングも可能である。

ABSTRACT

<strong>Parallel Contributed Talk</strong> at the<br> "XIX International Workshop on Neutrino Telescopes"<br> on line - 18-26 February, 2021

研究の動機と目的

• WIMPが核と散乱する際の反発方向を測定可能な方向性暗黒物質検出器の開発。
• 銀河的WIMPによる核反発の非等方的方位分布を活用することで、従来のWIMP探索の限界を克服すること。
• 低エネルギー核反発に対して、サブミクロンスケールの軌跡再構築を核エマルジョンで達成すること。
• 6年以内に1 kgパイロット実験を実現する方向性探索の実現可能性を示すこと。
• 放射能純度を向上させ、検出しきい値を50 nmまで低減することで、100 kg規模へのスケーリングを可能とすること。

提案手法

• ナノメートルスケールのAgBr結晶（NIT）を有する核エマルジョンを用い、低エネルギー核反発によるサブミクロンスケールの軌跡を記録する。
• 偏光光を用いた完全自動化された光学顕微鏡を導入し、10 nmの空間分解能を達成し、信号とノイズを区別する。
• 地球の自転の影響を相殺するために、てんこり座（しゅうぎょういん）に向けて固定された方位を維持するための赤道望遠鏡を採用する。
• 環境放射能を抑制するため、バルクエマルジョン膜を用いたシールド付き検出器セットアップを設計する。
• ゼロバックグラウンド仮説下での検出効率、分解能、感度をモデル化するためのモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 形状解析と偏光光顕微鏡法を用い、100 nmまでの長さの軌跡について、高速なプリセレクションおよび最終確認を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノメートルスケールの結晶を有する核エマルジョンは、100 nmの短い軌跡を十分な角度精度で解像可能であり、方向性WIMP信号を同定できるか？
• RQ2 核エマルジョンの内在的バックグラウンドレベルは何か？ 1 kg実験でほとんどバックグラウンドがない状態に抑えることができるか？
• RQ3 核反発の方向分布は、ニュートリノや放射能など等方的バックグラウンドとどのように分離できるか？
• RQ4 10 kgまたは100 kgの標的質量と50–100 nmの検出しきい値を持つ方向性検出器で達成可能な感度は何か？
• RQ5 エマルジョン製造法および光学顕微鏡法の改善により、検出しきい値を50 nmまで低下させられるか？

主な発見

• NEWS実験は、偏光光顕微鏡を用いた核エマルジョンで、空間分解能10 nm、角度分解能235 mradを達成した。
• 100 nmの検出しきい値が実験的に実証され、180 nm以上の長さの軌跡に対して100%のトラッキング効率を達成した。
• エマルジョンの内在的放射能は低く、10 kg実験でほとんどバックグラウンドがない状態を実現可能であり、1 kgパイロット実験は6年以内に実現可能である。
• 90%信頼水準での検出感度は、10 kg標的と50 nmしきい値で、WIMP質量が5–100 GeV/c²のDAMAが許容する領域に達した。
• 放射能純度の向上と検出しきい値の低減により、100 kgへのスケーリングが可能であり、低断面積領域において現在の限界を上回る感度が予想される。
• 本手法は3次元軌跡再構築を可能とし、物理学、生物学、医学分野におけるナノイメージング応用の可能性を有する。