[論文レビュー] The FUNK search for Hidden Photon Dark Matter in the eV range

Babette Döbrich, K. Daumiller+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2015

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 7

ひとこと要約

FUNK実験は、大規模な球面ミラーを用い、キネティック混合を通じて隠れた光子と通常の光子の間で生成される光学信号を検出することで、eVスケールの質量を有する隠れた光子のダークマターを探索する。14 m²のミラー・アレイを用いて、信号をミラーの半径点に集中化させることを目的としており、低ノイズのPMトランジスタを準備することで、未探索のパラメータ領域での感度を実現する。単一光子検出能力の向上を目的とした特性評価と設置作業が進行中である。

ABSTRACT

We give a brief update on the search for Hidden Photon Dark Matter with FUNK. The experiment uses a large spherical mirror, which, if Hidden Photon Dark Matter exists in the accessible mass and coupling parameter range, would yield an optical signal in the mirror's center in an otherwise dark environment. After a test run with a CCD, preparations for a run with a low-noise PMT are under way and described in this proceedings.

研究の動機と目的

• 新しい光学検出技術を用いて、eVスケールの質量領域における隠れた光子のダークマターを探索すること。
• 従来のCCDベースの測定に見られる限界を克服するため、感度を向上させるために低ノイズのフォトマルチプライヤー管（PMT）を導入すること。
• 液体ヘリウム温度でのPMTの性能をテスト・最適化し、ダークカウントを最小限に抑え、単一光子検出能力を向上させること。
• ダークマターの速度分布および地球の運動に起因する信号スポットのサイズと運動を特定し、最適な検出器配置を保証すること。
• eVスケールの隠れた光子のダークマターに対して、これまで未検証のパラメータ領域にアクセス可能な感度を実現するための新しいデータ取得ランの準備を進めること。

提案手法

• 6×6の要素から構成される14 m²の球面ミラー・アレイ（ピエール・オーディエ・オブザーバトリの一部）を用い、隠れた光子のダークマターからの放射をミラーの半径点に焦点化する。
• 可視光子と隠れた光子の間のキネティック混合に依存し、結合定数をパrameter χで記述することで、ミラー中心部に検出可能な光学信号を誘発する。
• 25 mmの有効径を有するPMTモデル9107QBを採用し、低ダークカウントレートと単一光子カウントへの適性を考慮して選定した。
• −50 °Cまで冷却可能なFACT50ハウジングにPMTを設置し、遮光環境下でノイズ低減を図った。
• 高電圧特性評価により、ピーク領域（プラトー領域）を特定し、トリガー閾値を最適化することで、非単一光子信号の抑制を図った。
• 線形移動ステージを用いてPMTの横方向移動を可能とし、焦点領域における信号およびバックグラウンド測定を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な球面ミラーは、焦点点ではなく半径点に、隠れた光子のダークマター由来の光学信号を効果的に集中化できるか？
• RQ2 ノイズを最小限に抑えた状態で、弱い光学信号を効率よく検出できる最適なPMTの設定と動作点は何か？
• RQ3 ダークマターの速度分布が、ミラー中心部の信号スポットのサイズと運動に与える影響は何か？
• RQ4 eVスケールの質量領域における隠れた光子のダークマターに対して、低ノイズPMTを用いたFUNK実験が達成可能な感度はどの程度か？
• RQ5 液体ヘリウム温度での冷却は、PMTのダークカウントレートを顕著に低減させ、完全な暗黒環境下での単一光子検出を可能にするか？

主な発見

• 正確なアライメントにより、FUNKミラーの90%スポット半径が約2 mmにまで短縮され、信号の局在化が向上した。
• ダークマターの速度分散および地球の運動に起因する予想される信号スポットサイズは、ミラー半径3.4 mの場合、∆d ∼ 3.4 mmと推定された。
• PMTモデル9107QBは、−20 °Cで0.35 ± 0.02 Hzのダークカウントレートを示し、単一光子検出に適した低ノイズ性能を確認した。
• PMTの応答特性におけるプラトー領域が高電圧領域で特定され、非単一光子信号を抑制するためのトリガー閾値最適化が可能となった。
• PMTは線形ステージに取り付けられており、焦点領域における信号とバックグラウンドの区別が可能となる横方向位置決めが可能となった。
• 低ノイズPMTを搭載した新しいデータ取得ランの準備が進行中であり、eVスケールの隠れた光子のダークマターに対してこれまで未検証のパラメータ領域へのアクセスを目指している。