[論文レビュー] GAPS - Dark matter search with low-energy cosmic-ray antideuterons and antiprotons

P. von Doetinchem, T. Aramaki+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

GAPSは、炭素リチウム（Si(Li)）トラッカーを用いた新規検出技術に基づく、長期間飛行気球実験を提案し、低エネルギー宇宙線反重イオンおよび反プロトンの検出を目的としている。特徴的なX線遷移および消失π粒子／プロトンスターパターンを特定することで、ほぼバックグラウンドフリーな検出が実現され、10 GeVから1 TeVの質量範囲においてダークマター探索の高感度化が可能となり、特に天体物理学的バックグラウンドが最小限で、ダークマター信号が強化される低エネルギー領域で顕著である。

ABSTRACT

The GAPS experiment is foreseen to carry out a dark matter search by measuring low-energy cosmic-ray antideuterons and antiprotons with a novel detection approach. It will provide a new avenue to access a wide range of different dark matter models and masses from about 10GeV to 1TeV. The theoretically predicted antideuteron flux resulting from secondary interactions of primary cosmic rays is very low. Well-motivated theories beyond the Standard Model contain viable dark matter candidates, which could lead to a significant enhancement of the antideuteron flux due to annihilation or decay of dark matter particles. This flux contribution is believed to be especially large at low energies, which leads to a high discovery potential for GAPS. The GAPS low-energy antiproton search will provide some of the most stringent constraints on ~30GeV dark matter, will provide the best limits on primordial black hole evaporation on galactic length scales, and explore new discovery space in cosmic-ray physics. GAPS is designed to achieve its goals via long duration balloon flights at high altitude in Antarctica. The detector itself will consist of 10 planes of Si(Li) solid state detectors and a surrounding time-of-flight system. Antideuterons and antiprotons will be slowed down in the Si(Li) material, replace a shell electron and form an excited exotic atom. The atom will be deexcited by characteristic X-ray transitions and will end its life by the formation of an annihilation pion/proton star. This unique event structure will deliver a nearly background free detection possibility.

研究の動機と目的

• ダークマターの散乱または崩壊によって予測される低エネルギー宇宙線反重イオンおよび反プロトンを用いたダークマター探索を目的とする。
• 特に軽いダークマター（10 GeV–1 TeV）において、低エネルギーで二次的・三次的バックグラウンドをはるかに上回る反重イオンフラックスを示す、これまで未踏のダークマターパラメータ空間へのアクセスを目的とする。
• Si(Li)検出器内での特異なイベントシグネチャー、すなわち、Exotic原子からのX線遷移および核消失によるπ粒子／プロトンスターパターンを活用することで、ほぼバックグラウンドフリーな検出を実現する。
• 反プロトン測定を通じて、30 GeVのダークマターモデルおよび銀河的スケールの初期ブラックホール蒸発に対するきびしい制約を提供する。
• 未だかつてない感度で低エネルギー反粒子を測定することで、宇宙線物理学における新たな発見領域を探索する。

提案手法

• GAPS検出器は、10枚の4インチ径Si(Li)検出器を有し、1枚あたり140個の検出器を備え、高エネルギー分解能（約4 keV FWHM）と深くドーピングされた構造により、低エネルギーX線および粒子の軌跡を検出するように最適化されている。
• 反重イオンおよび反プロトンはSi(Li)内で減速され、原子電子を捕獲してExotic原子を形成し、特徴的なX線遷移を経て核消失を起こし、π粒子／プロトンスターパターンを発生させる。
• 周囲に配置されたタイムオブフライト（TOF）システムは、セグメント化されたプラスチックシンチレーター（BC-408またはEJ-200）を用い、粒子の速度を測定し、高速トリガを提供するとともに、時間差とセグメンテーションにより5°の角度分解能を実現する。
• TOFシステムは、0.2 < β < 0.5 のエネルギー領域の粒子をトリガ対象とし、最小イオン化粒子に比べて2～6倍の光出力を示すため、検出効率が向上する。
• Oscillating Heat Pipe（OHP）冷却システムにより、Si(Li)検出器を-35 °Cに保ち、最適なX線エネルギー分解能を維持するとともに、熱雑音を最小限に抑える。
• dE/dx測定、浸透深さ、TOFからの速度、X線分光法を統合することで、粒子識別を強化し、効果的なバックグラウンド除去を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギー反重イオンは、10 GeV–1 TeVの広い質量範囲において、ダークマターの散乱または崩壊のバックグラウンドフリーなシグネチャーを提供できるか？
• RQ2 低エネルギー領域において、反重イオンの信号対バックグラウンド比は、陽電子や高エネルギー反プロトンと比較してどの程度優れているか？
• RQ3 Exotic原子からのX線遷移および消失π粒子／プロトンスターパターンのシグネチャーは、天体物理学的バックグラウンドから反重イオンをどれほど効果的に区別できるか？
• RQ4 GAPSの30 GeVのダークマターおよび銀河的スケールの初期ブラックホール蒸発に対する感度限界はどの程度か？
• RQ5 Si(Li)トラッキングとTOF検出の組み合わせは、最小限のバックグラウンドで低エネルギー反粒子イベントを十分に解像するのに十分なエネルギーおよび時間分解能を達成できるか？

主な発見

• 0.25 GeV/n未満のエネルギーで、ダークマターの散亡または崩壊による反重イオンフラックスは、二次的・三次的バックグラウンドを2桁以上上回る。特にMED伝搬モデルにおいて顕著である。
• アストロフィジカル的要因（例えば、 Sommerfeld効果や大きなハロー半径）が加わると、低エネルギー反重イオンの信号対バックグラウンド比はさらに向上し、信号がより顕著になる。
• 低バックグラウンドと低エネルギー反プロトンに対する高い検出効率のおかげで、GAPSは30 GeVのダークマターに対して、これまでで最もきびしい感度を達成すると予想される。
• Si(Li)トラッカーはX線に対して約4 keV（FWHM）のエネルギー分解能を提供し、明確なX線ラインにより反重イオンおよび反プロトンのシグネチャーを識別可能にする。
• OHP冷却システムは、pGAPS飛行中に検出器温度を安定的に維持した。これは、GAPSが-35 °Cで安定運用できるという妥当性を裏付けた。
• TOFシステムは500 psの時間分解能と約6 cmの空間分解能を達成し、質量損失が最小限に抑えられる範囲で、粒子の速度および軌道を再構築するのに十分である。