[論文レビュー] PTOLEMY: A Proposal for Thermal Relic Detection of Massive Neutrinos and Directional Detection of MeV Dark Matter

E. Baracchini, Maria Grazia Betti+49 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2018

Superconducting and THz Device Technology参考文献 47被引用数 64

ひとこと要約

PTOLEMYは、グラフェン基盤のトリチウムターゲットと高分解能TESカロメーターを組み合わせた地下実験によりCosmic Neutrino Backgroundを直接検出する原理実証を提案し、グラフェンを用いたMeVスケールの暗黒物質の方向性検出も探る。

ABSTRACT

We propose to achieve the proof-of-principle of the PTOLEMY project to directly detect the Cosmic Neutrino Background (CNB). Each of the technological challenges described in [1,2] will be targeted and hopefully solved by the use of the latest experimental developments and profiting from the low background environment provided by the LNGS underground site. The first phase will focus on the graphene technology for a tritium target and the demonstration of TES microcalorimetry with an energy resolution of better than 0.05 eV for low energy electrons. These technologies will be evaluated using the PTOLEMY prototype, proposed for underground installation, using precision HV controls to step down the kinematic energy of endpoint electrons to match the calorimeter dynamic range and rate capabilities. The second phase will produce a novel implementation of the EM filter that is scalable to the full target size and which demonstrates intrinsic triggering capability for selecting endpoint electrons. Concurrent with the CNB program, we plan to exploit and develop the unique properties of graphene to implement an intermediate program for direct directional detection of MeV dark matter [3,4]. This program will evaluate the radio-purity and scalability of the graphene fabrication process with the goal of using recently identified ultra-high radio-purity CO2 sources. The direct detection of the CNB is a snapshot of early universe dynamics recorded by the thermal relic neutrino yield taken at a time that predates the epochs of Big Bang Nucleosynthesis, the Cosmic Microwave Background and the recession of galaxies (Hubble Expansion). Big Bang neutrinos are believed to have a central role in the evolution of the Universe and a direct measurement with PTOLEMY will unequivocally establish the extent to which these predictions match present-day neutrino densities.

研究の動機と目的

• グラフェンベースのターゲットを用いたトリチウムへのニュートリノ捕捉を通じてCosmic Neutrino Backgroundの直接検出を実証する。
• エンドポイント電子エネルギー測定のための高分解能（≤0.05 eV）TESカロメーターと高精度HVシステムの開発・検証。
• 低背景・超高純度グラフェンターゲットと電磁フィルタリングを確立し、背景を抑制する。
• グラフェンベースおよびCNTベースの検出概念を用いたMeVスケール暗黒物質の方位検出を探る。
• 完全規模のCosmic Neutrino Telescopeへ向けたスケーラビリティを評価し、複数望遠鏡の世界規模展開への道を開く。

提案手法

• グラフェン被覆トリチウムターゲットを用いてトリチウムへのニュートリノ捕捉を可能にし、β崩壊のエンドポイントを超える単一エネルギー電子信号を検出する。
• 低エネルギー電子に対してサブ0.05 eVのエネルギー分解能を持つTransition Edge Sensor (TES)カロメーターを使用する。
• MAC-Eスタイルの電磁フィルタを実装し、フィルタリング過程で約1%のエネルギー分解能を達成する。
• 高安定性・高精度なHV制御とエネルギー測定と同時に単一電子を同定するRFトリガリングシステムを開発する。
• LNGSで地下・低背景運用を実施し、背景レベルと背景抑制戦略を検証する。
• PTOLEMY-G3（G-FETセンサー）およびPTOLEMY-CNT概念を用いたグラフェンベースのMeVダークマター方位検出を追求し、感度と角度情報を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LNGSでグラフェンターゲット構成を用いたトリチウムへのニュートリノ捕捉でCNBを直接検出できるか？
• RQ2 CNB信号をトリチウムβ崩壊エンドポイントの背景と分離するために、達成可能なエネルギー分解能と背景レベルはどの程度か？
• RQ3 高純度グラフェンターゲットはCNB測定に関連する14Cなどの背景にどのように影響するか？
• RQ4 グラフェンベースのセンサーやカーボンナノチューブターゲットを用いてMeVスケール暗黒物質の方位検出を実現することは可能か？
• RQ5 プロトタイプ結果に基づくスケーラブルで完全規模のCosmic Neutrino Telescopeアーキテクチャへの道筋は何か？

主な発見

• TESカロメトリによる低エネルギー電子のエネルギー分解能が0.05 eVを超えて実証済み（プロトタイプ目標）。
• CNB関連測定のために約10^6の背景低減因子を達成することを目指して地下LNGSでの展開を計画。
• PTOLEMY-G3は、1e3 cm^3の基準容積で4 MeVにおけるMeVダークマターに対する感度を約 ἳrac{\bar{\sigma}_e}{ }\sim 10^{-33} cm^2とし、方位検出の可能性を示す。
• PTOLEMY-CNT概念は、CNT幾何学を活用して方向情報を得つつ、適切な曝露量で5 MeVのDMに対して \bar{\sigma}_e ~ 10^-37 cm^2の潜在的到達範囲を示す。
• 高放射性純度のグラフェンターゲットとCO2由来グラフェン製造が開発され、CNBおよびMeV-DM探索に適した14C背景レベルまで抑制される。