[論文レビュー] Status of the PICASSO experiment for spin-dependent Dark Matter searches

M.-C. Piro|arXiv (Cornell University)|May 29, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

PICASSO実験は、SNOLABで32検出器アレイを用い、過熱状態のC4F10ドロップレットを用いてスピン依存型WIMPと19F核の相互作用を探索している。高度な音響信号識別技術と検出器の洗浄を駆使し、24 GeV/c²のWIMPに対して、陽子のスピン依存型断面積の90%信頼水準での上限を0.16 pbまで低下させ、この分野で先導的な実験として確立した。

ABSTRACT

The PICASSO project is using superheated droplets of C$_4$F$_{10}$ for the direct detection of Dark Matter candidates in the {\it spin-dependent} (SD) sector. The total setup includes 32 detectors installed in the SNOLAB underground laboratory in Sudbury (Ontario, Canada). With a concentrated effort in detector purification and with new discrimination tools now available for analysis, Picasso published competitive results in June 2009 \cite{publi2009} and became the leading experiment in the SD sector of direct dark matter searches. The present level of sensitivity is at 0.16 pb on protons at 90% C.L. (M$_W$= 24GeV/c$^2$) following an analysis of two detectors only. The rest of the detectors are now in the process of being analyzed and the experimental search continues in order to further improve the limits or hopefully discover a signal of dark matter. The status of the experiment and the ongoing analysis will be presented.

研究の動機と目的

• 過熱ドロップレット技術を用いて、19F核とスピン依存型WIMPの相互作用を直接検出すること。
• 検出器の洗浄と温度制御を用いて、アルファ粒子および中性子によるバックグラウンドを低減すること。
• 15 GeV/c²未満の低質量WIMP領域における感度を向上させること（ここではほとんど感度を持つ実験が存在しない）。
• 音響信号識別手法（pVarおよびfVar）を発展・適用し、粒子イベントの識別を可能にすること。
• 初期の2検出器から全32検出器アレイへの結果の拡張を図り、統計的感度を向上させること。

提案手法

• 200 µmの過熱C4F10ドロップレットを-20°Cでポリアクリルアミドゲル中に保持し、力学的に不安定な状態を形成する。
• 電離放射線が局所的な加熱を引き起こし、相転移が発生して気泡が生成され、圧電トランスデューサーで検出される。
• 音響信号は、高速フーリエ変換から得られるエネルギー（pVar）および周波数（fVar）の変数を用いて解析され、粒子イベントとノイズ、亀列の区別がなされる。
• 検出器は20°C〜55°Cの温度範囲で±0.1°Cの精度で制御され、感度のチューニングとバックグラウンド識別が可能となる。
• 水酸化ジルコニウム酸化物（HZrO）を用いた洗浄によりアクチニド不純物が低減され、新規検出器ではセシウム塩化物を廃止してアルファバックグラウンドを低減している。
• 22Na（ガンマ線）、226Ra（アルファ線）、AmBe（中性子）を用いたキャリブレーションにより、WIMP信号予測のためのエネルギー閾値と応答曲線が確立された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 音響信号の特徴（pVarおよびfVar）は、WIMP誘発核反発とバックグラウンドイベントを効果的に識別できるか？
• RQ2 低質量WIMP領域におけるPICASSO実験のスピン依存型WIMP-陽子相互作用への到達可能な感度はどの程度か？
• RQ3 検出器の洗浄と温度制御は、アルファ粒子および中性子によるバックグラウンドをどの程度低減できるか？
• RQ4 初期の2検出器結果と比較して、全32検出器アレイは除外限界をどの程度改善できるか？
• RQ5 セシウム塩化物を含まない新世代検出器は、アルファバックグラウンドを少なくとも10倍低減できるか？

主な発見

• PICASSO実験は、2検出器を用いて、WIMP質量24 GeV/c²のスピン依存型WIMP-陽子断面積に対して90%信頼水準で0.16 pbの上限を達成した。
• この上限は、19F標的にスピン依存型結合を持つことと整合的であり、中性子に対する断面積は2.60 pbに相当する。
• 2検出器の解析では、合計で13.75 ± 0.48 kgdの露出量が得られ、19F標的質量はそれぞれ65.06 ± 3.2 gおよび69.0 ± 3.5 gであった。
• pVarおよびfVarの使用により、核反発（WIMPに類似）とアルファ線、非粒子イベントが効果的に分離され、中性子に類似した反発は識別プロットの領域Aに集中していた。
• グリセリンおよびポリエチレングリコールをセシウム塩化物の代わりに使用する新世代検出器は、アルファバックグラウンドを少なくとも10倍低減する可能性を示している。
• 全32検出器構成（C4F10質量2.6 kg）はすでに稼働中であり、残りの30検出器の解析が進行中で、さらなる感度向上が期待されている。