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XENONダークマター直接探索実験

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

XENON実験はイタリアのグラン・サッソ国立研究所の水深相当3100mの地下実験施設で行われている ダークマター（暗黒物質）直接探索実験です。XENON実験では希ガスの一種であるキセノンを液化してダークマターに対する標的として用いています。数多くのダークマターの候補の中でも、WIMPs (Weakly interacting massive particles)とよばれる、通常の物質と極めてまれに反応する種類のダークマターが良い候補だと考えられ、XENON実験の大きな目的の一つになっています。XENON実験では、二相式のタイムプロジェクションチェンバー（time projection chamber, TPC)とよばれる技術を用いた検出器を使用しています。

XENON実験の検出器では、液体キセノン内でのダークマターとキセノン原子核の反応によって発生されられたシンチレーション光と電離信号を検出します。予想される背景事象と比較して、統計的に有意に多い事象が観測されればダークマターの直接発見となります。XENON実験の現在の研究代表者はコロンビア大(Columbia University)の Elena Aprile です.

検出原理

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二相式TPCの概念図

XENON実験では、二相式のタイムプロジェクションチェンバー（time projection chamber, TPC)とよばれる技術を用いた検出器を使用しています。図に示す通り、二相式TPCは液体の相（図中でLXe）の上に気体の相（図中でGXe）によって形成されています。液体の相の底面及び気体の相の上面にそれぞれ多数の光電子増倍管(photomultiplier tubes, PMTs) が設置され、液相及び気相で発生した光を捉えます。液相で反応が起きると、シンチレーション光が発生 し、上下のPMTでとらえられます。シンチレーション光と同時に電離電子が発生、液相中にかけられた電場で上部の気相に向かって運動を始めます。電子は液相、気相間のにかけられた強い電場で気相に飛び出し、そこでエレクトルミネセンス光(electroluminescence)を発生、PMTでとらえられます。

液相で反応が起きると、シンチレーションと電離がおきます。液相で発生するシンチレーション光は波長178nm の紫外光です。シンチレーション光はPMTでとらえられ、S1信号とよばれます。電離によって生じた電子は、液体内部にかけられた電場のためにイオンと再結合することなく上部の気相に気相に向かって運動を始めます。電子は液相、気相間のにかけられた強い電場で気相に飛び出し、さらに加速されエレクトルミネセンス光(electroluminescence)を発生、PMTでとらえられます。このエレクトルミネセンス光はS2信号とよばれます。S2信号は、液体中に生成された単一の電子すらもとらえることのできる感度を持っています。[1]

2相式TPCであるXENON検出器では、事象の3次元の位置検出器が可能です[2] 。 液体キセノン中では、電子は等速度で運動（ドリフト）するため、S1信号とS2信号の時間差を使うことで事象の位置の深さを知ることができます。平面方向での事象の位置は、PMTの光量分布から知ることができます。こうした3次元の位置検出は検出器中での位置による事象の選別(fiducialization)を可能とします。ダークマター実験の様な稀現象を探索する実験では、こうした事象選別は非常に重要な技術となります。XENON実験の検出器では、外部からの背景事象は液体キセノンの自己遮蔽によって低減されます。したがって、3次元位置検出によって、液体キセノンの中心部で起こった事象のみを選択することで、背景事象を排除した探索が可能となります。

キセノン検出器で検出される信号には、キセノン原子の電子と反応したもの（電子反跳, electron recoil, ER）とキセノン原子の原子核と反応したもの(原子核反跳, nucclear recoi,l NR)の2種類があります。電子反跳事象と原子核反跳事象では、反応時に生じるシンチレーション光と電離信号に使われるエネルギーの比が変わるため、S1信号とS2信号の大きさの比に違いが生じます。S2/S1の値は電子反跳事象の方が原子核反跳現象より大きくなることが知られており、ダークマターとの反応で期待される原子核反跳の選択効率を50%以上に保ったまま、電子反跳による背景事象を99%以上排除することが可能となります[3]。

XENON10

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XENON100実験の検出器を含む冷凍機と遮蔽機構の写真。遮蔽は外側から20cmの水、20cmの鉛、20cmのポリエチレン、最内部には5cmの銅で構成されます。

XENON10実験はイタリアのグラン・サッソ国立研究所 の水深相当3100mの地下実験施設で2006年3月から行われました[4]。

2006年の10月から2007年の2月にかけて行われた約 59日の測定の結果、30 GeV/c2 の質量をもつWIMPと核子との散乱断面積に対して10×10−43 cm2の 上限値を付けました[5]。また、WIMPと中性子とのスピンに依存する反応について世界最高の制限を付けました[6]。

XENON100

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Borrom PMT Array of XENON100
XENON100 検出器の上部PMT 。浜松ホトニクス社製の98本のR8520-06-A1からなる。上部PMTは事象再構成の精度向上のために、同心円状に配置されてます。
Borrom PMT Array of XENON100
XENON100 検出器の底面部PMT 。浜松ホトニクス社製の80本のR8520-06-A1からなる。

XENON実験の第2世代検出器 XENON100検出器は165 kgの液体キセノンを用い、そのうちの62 kgがダークマターへの有効質量として使用されました。背景事象の計数率に関して、設計値である 10−2 事象/kg/day/keVを達成しました [7] 。XENON100検出器はイタリアのグラン・サッソ国立研究所 の水深相当3100mの地下実験施設で2008年に設置されました。

2008年から行われたXENON100検出器を用いた測定の結果、2012年には65 GeV/c2の質量をもつWIMPと核子との散乱断面積に対して2.0×10−45 cm2の上限値を付けました[8]。その他、非弾性散乱をするダークマター探索[9] やスピンに依存する反応[10] 、アクシオンに対する世界最高感度での探索[11] なども行われました。XENON100検出器は暗黒物質検出器として最も低い背景事象計数率であ50 mDRU (1 mDRU=10−3 事象/kg/day/keV)を達成しました。[12]。

XENON1T

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XENON実験の第3世代検出器 XENON1T検出器は2014T年からイタリアのグラン・サッソ国立研究所のホールBで建設が開始されました。直径及び高さ1mのXENON1T検出器には、3.2トンの液体キセノンが使用されています。XENON1T検出器は、直径及び高さ10mの宇宙線μ粒子の反同時計測のための水タンクの中に設置されています。

XENON1T検出器によるダークマター直接探索をはじめとした研究は、欧州や米国・中東など世界22の機関の135人の研究者で構成されるXENON実験（XENON Collaboration）によって推進されました[13]。

XENON1T実験で得られたWIMPと核子の相互作散乱断面積の上限値 (2017年11月出版)

XENON1T実験からの最初の結果は、2016年11月から2017年1月にかけて行われた測定の34日分のデータをもちいた行われた解析結果として、2017年5月18日に発表されました。XENON1T実験の結果は当時最高感度でダークマターを探索していたLUX実験の結果をしのぎ、35 GeV/c2のWIMPに対して7.7×10−47 cm2 の核子との散乱断面積の上限値をあたえました[14][15][16]。

2018年の9月には278.8 日分の測定結果から30 GeV/c2のWIMPに対する制限を 4.1×10−47 cm2 に強めた結果を発表しました[17]。

2019年4月には, XENON CollaborationはXENON1T検出器の測定結果としてNatureに、キセノン124原子核に関して2つのニュートリノを伴う二重電子捕獲現象(double electron capture)の初観測を報告しました[18] 。この現象の観測された半減期は宇宙年齢よりも長く、キセノンを用いた検出器の、ダークマター以外の極稀事象研究への応用範囲の広さ示す結果です。

XENON1T検出器は2016年に観測を開始、2018年末に次世代検出器XENONnT検出器[19] の建設のために観測を終えました[20]。

2020年6月、 XENON collaborationは電子反跳事象の超過を報告ました。232事象が期待されるところ285事象が観測され、53事象の超過、統計的有意度は3.5σでした[21][22][23] 。この超過に対して考えられる原因は3つです。太陽起源の理論上の仮想粒子アクシオン アクシオン (axions), ニュートリノの異常磁気モーメント、そして放射性同位体トリチウムの検出器への混入です。 その他にも多くのっ仮説が多くの研究者によって提唱されました[24][25]。この電子反跳事象の超過は2022年7月に後継機であるXENONnT検出器の高精度のデータによって否定されました[26][27]。

XENONnT

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XENONnT 検出器はXENON1T 検出器の後継機としてイタリアのグラン・サッソ国立研究所のホールBに建設されました。XENONnT検出器には約8トンの液体キセノンが使用されています。キセノンの質量増加に加えて、背景事象を削減・反同時計測するためのいくつかの改良が施されています。検出器は直径及び高さ10mの水タンクの中に設置されています。XENONnT検出器は2020に完成・測定を開始しました[19][20][28][29] [30]。

2022年7月、XENON1Tで確認された電子反跳の超過について、XENONnT検出器で高精度の観測を行い、これを否定する結果を発表しました[26][27]。

参考文献

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  1. ^ Aprile, E. (2014). “Observation and applications of single-electron charge signals in the XENON100 experiment”. Journal of Physics G 41 (3): 035201. arXiv:1311.1088. Bibcode: 2014JPhG...41c5201A. doi:10.1088/0954-3899/41/3/035201etal 
  2. ^ Aprile, E. (2012). “The XENON100 dark matter experiment”. Astroparticle Physics 35 (9): 573–590. arXiv:1107.2155. Bibcode: 2012APh....35..573X. doi:10.1016/j.astropartphys.2012.01.003etal 
  3. ^ Aprile, E. (2014). “Analysis of the XENON100 dark matter search data”. Astroparticle Physics 54: 11–24. arXiv:1207.3458. Bibcode: 2014APh....54...11A. doi:10.1016/j.astropartphys.2013.10.002etal 
  4. ^ Aprile, E. (2011). “Design and Performance of The XENON10 Experiment”. Astroparticle Physics 34 (9): 679–698. arXiv:1001.2834. Bibcode: 2011APh....34..679A. doi:10.1016/j.astropartphys.2011.01.006etal 
  5. ^ Angle, J. (2008). “First Results from the XENON10 Dark Matter Experiment at the Gran Sasso National Laboratory”. Physical Review Letters 100 (2): 021303. arXiv:0706.0039. Bibcode: 2008PhRvL.100b1303A. doi:10.1103/PhysRevLett.100.021303. PMID 18232850etal 
  6. ^ Angle, J. (2008). “Limits on spin-dependent WIMP-nucleon cross-sections from the XENON10 experiment”. Physical Review Letters 101 (9): 091301. arXiv:0805.2939. Bibcode: 2008PhRvL.101i1301A. doi:10.1103/PhysRevLett.101.091301. PMID 18851599etal 
  7. ^ Aprile, E. (2011). “Material screening and selection for XENON100”. Astroparticle Physics 35 (2): 43–49. arXiv:1103.5831. Bibcode: 2011APh....35...43A. doi:10.1016/j.astropartphys.2011.06.001etal 
  8. ^ Aprile, E. (2012). “Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data”. Physical Review Letters 109 (18): 181301. arXiv:1207.5988. Bibcode: 2012PhRvL.109r1301A. doi:10.1103/physrevlett.109.181301. PMID 23215267etal 
  9. ^ Aprile, E. (2011). “Implications on inelastic dark matter from 100 live days of XENON100 data”. Physical Review D 84 (6): 061101. arXiv:1104.3121. Bibcode: 2011PhRvD..84f1101A. doi:10.1103/PhysRevD.84.061101. 
  10. ^ Aprile, E. (2012). “Limits on spin-dependent WIMP-nucleon cross sections from 225 live days of XENON100 data”. Physical Review Letters 111 (2): 021301. arXiv:1301.6620. Bibcode: 2013PhRvL.111b1301A. doi:10.1103/PhysRevLett.111.021301. PMID 23889382. 
  11. ^ Aprile, E. (2014). “First Axion Results from the XENON100 Experiment”. Physical Review D 90 (6): 062009. arXiv:1404.1455. Bibcode: 2014PhRvD..90f2009A. doi:10.1103/PhysRevD.90.062009. 
  12. ^ Aprile, E. (2011). “Study of the electromagnetic background in the XENON100 experiment”. Physical Review D 83 (8): 082001. arXiv:1101.3866. Bibcode: 2011PhRvD..83h2001A. doi:10.1103/physrevd.83.082001etal 
  13. ^ “Homepage of the XENON1T Dark Matter Search”. XENON collaboration. 2017年6月2日閲覧。
  14. ^ Aprile, E. (2017). “First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment”. Physical Review Letters 119 (7679): 153–154. arXiv:1705.06655. Bibcode: 2017Natur.551..153G. doi:10.1038/551153a. PMID 29120431etal 
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  16. ^ “World's most sensitive dark matter detector releases first results”. UChicago News. (2017年5月18日). https://news.uchicago.edu/article/2017/05/18/worlds-most-sensitive-dark-matter-detector-releases-first-results 2017年5月29日閲覧。 
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  18. ^ Suhonen, Jouni (2019). “Dark-matter detector observes exotic nuclear decay”. Nature 568 (7753): 462–463. Bibcode: 2019Natur.568..462S. doi:10.1038/d41586-019-01212-8. PMID 31019322. 
  19. ^ a b Moriyama (2019年3月8日). “Direct Dark Matter Search with XENONnT. International symposium on "Revealing the history of the Universe with underground particle and nuclear research"”. XENON collaboration. 2020年11月18日閲覧。
  20. ^ a b “Assembling the XENONnT Dark Matter Detector during Covid-19 Times » APPEC”. 2023年4月5日閲覧。
  21. ^ Aprile, E.; Aalbers, J. (2020-06-17). “Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T”. Phys. Rev. D 102: 2006.09721v1. arXiv:2006.09721. doi:10.1103/PhysRevD.102.0720041 
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  23. ^ Lin, Tongyan (2020-10-12). “Dark Matter Detector Delivers Enigmatic Signal” (英語). Physics 13: 135. Bibcode: 2020PhyOJ..13..135L. doi:10.1103/Physics.13.135. https://physics.aps.org/articles/v13/135. 
  24. ^ “Excitement grows over mysterious signal in dark-matter detector” (英語). Physics World (2020年10月15日). 2020年10月23日閲覧。
  25. ^ Sunny Vagnozzi; Luca Visinelli; Philippe Brax; Anne-Christine Davis; Jeremy Sakstein (2021). “Direct detection of dark energy: The XENON1T excess and future prospects”. Physical Review D 104 (6): 063023. arXiv:2103.15834. Bibcode: 2021PhRvD.104f3023V. doi:10.1103/PhysRevD.104.063023. 
  26. ^ a b “A new dark matter experiment quashed earlier hints of new particles” (英語). Science News (2022年7月22日). 2022年8月3日閲覧。
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  28. ^ “scanR | Moteur de la Recherche et de l'Innovation” (フランス語). scanr.enseignementsup-recherche.gouv.fr. 2020年6月30日閲覧。
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  30. ^ Peres. “The XENONnT Experiment - Detector and Science Program”. cern.ch. 22 March 2022閲覧。

Further reading

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