[論文レビュー] The ANAIS-112 experiment at the Canfranc Underground Laboratory

J. Amaré, S. Cebrián+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

Canfranc地下実験所におけるANAIS-112実験は、112.5 kgの高純度NaI(Tl)シンチレーターを用いて、DAMA/LIBRAが報告した年齢周期的モード信号を検証し、ダークマター検出を確認することを目的としている。1 keVのエネルギー閾値と超低バックグラウンドを実現し、15 phe/keVの光収集効率を達成。平均して40Kと210Pbの活動はそれぞれ1.0 mBq/kgおよび1.5 mBq/kgであり、弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）によるものであればDAMA信号を検出可能な感度を示した。

ABSTRACT

The ANAIS experiment aims at the confirmation of the DAMA/LIBRA signal at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). Several 12.5 kg NaI(Tl) modules produced by Alpha Spectra Inc. have been operated there during the last years in various set-ups; an outstanding light collection at the level of 15 photoelectrons per keV, which allows triggering at 1 keV of visible energy, has been measured for all of them and a complete characterization of their background has been achieved. In the first months of 2017, the full ANAIS-112 set-up consisting of nine Alpha Spectra detectors with a total mass of 112.5 kg was commissioned at LSC and the first dark matter run started in August, 2017. Here, the latest results on the detectors performance and measured background from the commissioning run will be presented and the sensitivity prospects of the ANAIS-112 experiment will be discussed.

研究の動機と目的

• 同じ標的材料（NaI(Tl)）を用い、異なる地下環境でDAMA/LIBRAが報告した年齢周期的モード信号を確認すること。
• 2 keV ee未満の低エネルギー閾値と10 keV ee未満のバックグラウンドレベルを達成し、潜在的なWIMP信号への感度を確保すること。
• 放射純度の高い材料、アクティブシールド、ルビジウム除去を用いて、機器的および環境的バックグラウンドを最小限に抑えること。
• 冗長なトリガーとモニタリングを備えた安定的で長期的なデータ取得システムを構築し、系統的要因の制御を可能にすること。
• 科学的利用後、公開データリリースと盲検年齢周期的解析を実施し、客観性と再現性を確保すること。

提案手法

• Alpha Spectra社の9台の12.5 kgのNaI(Tl)検出器を、Canfranc地下実験所の2450 m.w.e.深度に3×3アレイで配置。各検出器には2つのPMTとOFE銅封止を装備。
• 全検出器で15 phe/keVの光収集効率を達成し、1 keVの可視エネルギーでトリガーが可能となった。光出力とエネルギー分解能の完全な特徴付けを実施。
• 多層シールドシステムを採用：10 cmの考古学的鉛、20 cmの低活動鉛、40 cmのニュートロン moderators、ルビジウムフリー空気循環、プラスチックシンチレーターを用いたアクティブなミューオン遮断。
• 全PMTの放射純度スクリーニングをゲルマニウム検出器を用いて実施し、内部放射性不純物によるバックグラウンドを最小限に抑えた。
• パルス波形解析とBiPo系列識別を用い、アルファ線率から232Thおよび238Uの活動を評価。40Kと210Pbはガンマ線およびコインシデンス技術で測定。
• Geant4を用いたバックグラウンドスペクトルのシミュレーションを実施。測定済みの結晶活動と検出器幾何学的形状を組み込み、40K、210Pb、宇宙線誘発核種、22Naの寄与をモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ANAIS-112実験は、異なる地下環境に位置する同一のNaI(Tl)シンチレーターを用いて、DAMA/LIBRAが観測した年齢周期的モード信号を確認できるか？
• RQ2 2–6 keV eeエネルギー範囲における固有バックグラウンドレベル（特に40Kと210Pbに起因するもの）は何か？また、WIMP信号の検出を可能にするためにこれを低減できるか？
• RQ3 特に光収集効率とエネルギー閾値を含む検出器性能は、感度の高い年齢周期的モード探索に要件を満たしているか？
• RQ4 宇宙線誘発核種（例：3H、22Na）は低エネルギー領域のバックグラウンドにどのように寄与しているか？また、その時間依存的崩壊はバックグラウンドモデルの妥当性を検証するために利用可能か？
• RQ5 ダークマター仮説のもとで、5年間のデータ取得後、ANAIS-112の予想感度は年齢周期的モード信号を90%信頼水準で検出可能か？

主な発見

• ANAIS-112実験は、全9台の検出器で15 phe/keVの光収集効率を達成し、高い性能を確認。1 keVの可視エネルギーでトリガーが可能となった。
• 結晶中の40Kの平均活動は1.0 mBq/kgであり、個々の値は0.6～1.4 mBq/kgの範囲に収まっており、低固有放射能と整合的であった。
• 210Pbの平均活動は1.5 mBq/kgであり、全検出器で非平衡状態の210Pbが観測された。これは、以前の露出による汚染を示しており、後続で製造された結晶ではこれが低減された。
• 2017年3月～7月のコンmissioning走行のバックグラウンドスペクトルは、特に最後の検出器で宇宙線誘発核種の明確な崩壊を示し、時間依存的バックグラウンドモデルの妥当性を裏付けた。
• D8検出器の初期バックグラウンドモデリングはデータと良好に一致しており、210Pbは約50 keVで顕著な寄与を示し、短い地下滞在時間のため宇宙線誘発核種の寄与も依然として重要であった。
• 5年間のデータ取得後の感度予測では、WIMP仮説のもとで、DAMA/LIBRA結果と整合する3σ領域において、90%信頼水準で年齢周期的モード信号を検出可能であると示された。