[論文レビュー] Status of the ArDM Experiment: First results from gaseous argon operation in deep underground environment

ArDM Collaboration, A. Badertscher+27 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、カーンフランク地下研究所におけるArDM実験の気体アルゴン運転からの最初の結果を提示しており、零電界下で2 p.e./keVeeの光出力の顕著な向上を示している。本研究では、TPB被膜を施したPMトと反射材を備えた新設計の検出器を検証し、液体アルゴン時間投影連合器における低エネルギーWIMP探索に不可欠な安定的で均一な光収集性能を達成した。

ABSTRACT

The Argon Dark Matter (ArDM-1t) experiment is a ton-scale liquid argon (LAr) double-phase time projection chamber designed for direct Dark Matter searches. Such a device allows to explore the low energy frontier in LAr. After successful operation on surface at CERN, the detector has been deployed underground and is presently commissioned at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). In this paper, we describe the status of the installation and present first results on data collected in gas phase.

研究の動機と目的

• 直接的ダークマター探索を目的とした、深地中環境におけるArDM検出器の導入と検証。
• TPB被膜を施したPMトと反射材を用いた新設計光収集システムの性能評価。
• 液体アルゴン運転の前段階として、光出力、均一性、ノイズレベルのベースライン性能指標の確立。
• 冷却および機械的応力下におけるTPB被膜を施したポリカーボネート窓の耐久性および光学的安定性のテスト。
• 液体アルゴン運転に備えるために、検出器の安定性、ラドン制御、バックグラウンドモニタリングの確認。

提案手法

• CERNでの表面試験を経て、カーンフランク地下研究所（LSC）にトン級の液体アルゴン二相時間投影連合器（TPC）を設置。
• 光収集を強化するために、TPB被膜を施した窓と再被膜処理を施したTetratex反射材を備えた2つの新規PMトアレイ（合計24個の8インチPMト）を設置。
• 液体アルゴン充填前の光検出システムのテストとして、アルファ線源を用いてアルゴンの発光を励起する気体アルゴン運転を実施。
• 遅延成分の減衰時間（τ₃）の関数として光出力を測定し、被膜あり・なしのポリカーボネート窓を比較。
• 高い量子効率を有する3インチPMト（Hamamatsu R11065）を用い、3mmのポリカーボネート窓にTPB被膜を施した状態で、光学透過率および安定性を評価。
• フィducialボリューム全域におけるダークカウントおよび光の均一性を現場で測定し、システムのノイズおよび性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新設計のArDM検出器（TPB被膜PMトおよび反射材を装備）を用いた気体アルゴンにおける実現可能な光出力はどの程度か？
• RQ2 電界がゼロの状態において、フィducialボリューム全域での光収集性能はどの程度均一か？
• RQ3 ポリカーボネート窓に化学的固定処理を施したTPB被膜は、冷却および機械的応力下でも光学的特性および光出力を維持できるか？
• RQ4 気体アルゴン運転中におけるベースラインノイズレベル（ダークカウント）はどの程度か？
• RQ5 光出力は時間経過とともに安定しているか？また、液体アルゴンにおける目標エネルギー閾値達成にどのような影響を及えるか？

主な発見

• ArDM検出器は、零電界下の液体アルゴン中で、少なくとも2 p.e./keVeeの光出力を達成しており、低エネルギー検出に優れた性能を示している。
• 上部および下部のPMトアレイ信号を統合した結果、フィducialボリュームの全高にわたり光出力が均一であることが観測された。
• 新規に被膜処理を施したPMトアレイおよび反射材は、従来の構成と比較して顕著に光収集効率が向上した。
• ポリカーボネート窓にTPB被膜を化学的固定処理を施しても、光学的特性や光出力に変化は認められ、機械的応力下でも安定であることが確認された。
• 液体窒素に浸漬けたTPB被膜を施したポリカーボネート試料においても、光透過率や効率の劣化は観測されなかった。
• アルゴン発光からの20 p.e.未満のイベントでさえ、ダークカウントが支配的なノイズと明確に区別できることが、システムで記録された。