[論文レビュー] Search for hidden-photon Dark Matter with FUNK

Funk Experiment, :+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、FUNK実験を用いた隠れ光子であるダークマターの探索を提示している。FUNK実験は、物質の界面で隠れ光子と標準光子が混合する際に生じる可視光および近紫外光子を検出する。有意な信号は得られなかったが、eVからsub-eVの質量範囲において、系統的不確かさが感度を支配する前提の上での混合パラメータχの上限が設定された。

ABSTRACT

It has been proposed that an additional U(1) sector of hidden photons could account for the Dark Matter observed in the Universe. When passing through an interface of materials with different dielectric properties, hidden photons can give rise to photons whose wavelengths are related to the mass of the hidden photons. In this contribution we report on measurements covering the visible and near-UV spectrum that were done with a large, 14 m2 spherical metallic mirror and discuss future dark-matter searches in the eV and sub-eV range by application of different electromagnetic radiation detectors.

研究の動機と目的

• 隠れ光子が標準光子に変換可能であるという仮説を検証すること。特に、誘電体界面でダークマターの候補とされる隠れ光子が可視光および近紫外光子に変換されることを検証する。
• 大口径の球面鏡と低ノイズのフォトマルチプライヤーを用いて、可視光および近紫外スペクトル領域におけるダークマター探索を拡張すること。
• 系統的不確かさを考慮した上で、隠れ光子混合パラメータχの暫定的上限を確立すること。
• MHz、GHz、THz周波数帯域における将来的な探索の基盤を築くこと。

提案手法

• 14 m²の球面金属ミラー（36個のセグメントから構成）を用い、誘電体界面における隠れ光子から光子への変換によって生成された光子を焦点に集める。
• 可視光および紫外領域で高い量子効率を示すバイアルカリ光感受性膜を備えた、低暗電流フォトマルチプライヤー管（PMT）ET9107BQを用いて単一光子検出を実施する。
• PMTをモーター駆動の直線ステージに取り付け、焦点位置内外での位置スキャンを可能にし、潜在的なダークマター信号を分離するための差分測定を実施する。
• モーター駆動のシャッタを用いて、シャッタを開けた状態と閉じた状態を比較することで背景を同定する。また、フラッシュャーシステムを用いて単一光電子応答をキャリブレーションする。
• PMTからのデジタル信号はPicoScope 6404Dオシロスコープで記録され、パルス電荷量とタイミングを用いて単一光子イベントを特定し、宇宙線シャワーのノイズを除外する。
• 電荷スペクトルに統計的カットを適用し、単一光電子イベントのみを保持することで、単一光子選別効率を約75%に推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隠れ光子ダークマターは、物質界面における可視光および近紫外光子への変換によって検出可能か？
• RQ2 FUNK実験は、eVおよびsub-eV質量範囲における隠れ光子混合パラメータχに対してどの程度の感度を持つか？
• RQ3 温度のずれやタイミングの不正確さといった系統的要因が、潜在的ダークマター信号測定に与える影響は何か？
• RQ4 PMTの位置（焦点内 vs. 焦点外）が観測カウントレートに与える影響は何か？また、これにより信号対雑音比にどのような影響があるか？

主な発見

• 2017年2月から3月にかけて実施された30日間の測定実験では、顕著な過剰信号は観測されず、平均カウントレートは0.535 Hzであった。
• PMTを焦点位置に置いた状態で、シャッタを開けた状態と閉じた状態のカウントレート差はΔR = 0.0032 ± 0.0014 Hzであった。これは潜在的ダークマター信号の代理として解釈された。
• 焦点位置とその8 cm外で、シャッタを開けた状態のカウントレートに約0.025 Hzの系統的差が観測され、系統的不確かさの可能性を示唆した。
• この0.025 Hzの差は、系統的不確かさの上限として用いられ、図5に示される「FUNK一時的（系統的）」と表記されたχの上限に反映された。
• 低質量範囲では統計的不確かさが感度を支配するが、高質量範囲では系統的要因が支配的であることが、感度曲線から明らかになった。
• 本実験は、保守的な暫定的限界を設定した。図5の感度曲線は、現在のeVからsub-eV範囲における到達範囲を示しており、今後MHz–THz帯への拡張が計画されている。