低圧ガスを用いた新検出器による地下実験報告

NEWAGE 実験 27

中村輝石（京大理）(*)身内賢太朗（神戸大）、谷森達、窪秀利、西村広展

Parker Joseph、高田淳史、水本哲矢、澤野達哉松岡佳大、古村翔太郎、 (*)山口祐史郎、 (*)中浦正太

(#)関谷洋之（ ICRR）、 (#)竹田敦

１．概要（ NEWAGE）２．性能（検出器）３．結果（地下測定）４．まとめ

日本物理学会秋季大会　高知大学　 2013/09/20

１． NEWAGE 概要

２．検出器の性能３．地下測定の結果４．まと

め

NEWAGE概要

暗黒物質の到来方向異方性　↓反跳原子核の飛跡を捉えて暗黒物質検出

　 NEWAGE

原子核

暗黒物質

電子

2)μ-TPC ・・・ Micro Time Projection Chamber1)μ-PIC ・・・ Micro Pixel Chamber

μ-TPC1)

μ-PIC2)

CF4ガス

cosθ1-1 0

0

20

40

M=80GeVσ=0.1pb

[count/3m

3 /ye

ar/b

in]

予想される cosθ 分布

θDM

Nucleus

New general WIMP search with an Advanced Gaseous tracker Experiment

　新検出器「 NEWAGE-0.3b 」

30cm 31cm

41cm

大型 GEM31x31 cm2

Drift Cage41 cmPEEK

NEWAGE-0.3b’PEEK + copper wire

m-PIC30x30 cm2

• 大型化：～ 2 倍（ 23×27×31cm3 30×30×41cm⇒ 3 ）• 低 圧 化 （ 低 閾 値 化 ） ：152 76torr⇒ （ 100 50keV⇒ ）• DAQ のアップグレード

NEWAGE-0.3a(2010) NEWAGE-0.3b(2013) Future Plan

Detection Volume 23×27×31 cm3 30×30×41 cm3 >1 m3

Gas CF4 152 Torr CF4 76 Torr CF4 30 Torr

DAQ-mode mode3 mode5 mode5

　 DAQStrip information(for each clock) Time Over Threshold Detector

mode5 all Rise & Fall timing(“energy” of each strip)

NEWAGE-0.3b’NEWAGE-0.1a

mode3 all Rise timing NEWAGE-0.3a’

mode1 x-y coincidencemax, min only Rise timing NEWAGE-0.3b

mode5mode3mode1

x strip

cloc

k

y strip

cloc

kdisc

ri th

Flash ADC

PC

3D track

energy(charge)

Digital

Analogsum

全ての情報を取得す る mode5 を 導入

検出器の性能

　性能 1 ：低圧化による低閾値化

• ガス圧： 152 ⇒ 76torr• 角度分解能： 40 度 @50-100keV

JPS2011 秋

• 方向感度を保つエネルギー閾値は 100⇒50keV に

angular resolution

76torr (NEWAGE-0.3B)152torr (NEWAGE-0.3a)

　性能 2 ：飛跡の形状による γ 線除去

• 原子核反跳 (252Cf)• 短い

• ガンマ線 (137Cs)• 長い

137Cs (γ 線 )252Cf ( 原子核反跳 )

length カット（第一のカット）length ・・・トラックの長さ（これまでも用いていたカット）

l[cm]<0.6+0.004*E[keV]を選択

　性能 2 ：飛跡の形状による γ 線除去

• 原子核反跳 (252Cf)• エネルギーと正の相関を持つ

• ガンマ線 (137Cs)•

かすれたようなトラック (dE/dx ：小 )

137Cs (γ 線 )252Cf ( 原子核反跳 )

nhit カット（第二のカット）nhit ・・・トラックの TOT の和（面積）

x(anode strip)

z(clock

)

y(cathode strip)

z(clock

)

トラック例

nhit>100 を選択

TOT

　性能 2 ：飛跡の形状による γ 線除去

• 原子核反跳 (252Cf)• 立ち上がり点：下に凸の曲線• ⇒ 直線とのずれ：大

•ガンマ線 (137Cs)• 立ち上がり点：スパッと切れた形

状• ⇒ 直線とのずれ：小

137Cs (γ 線 )252Cf ( 原子核反跳 )

chi2 カット（第三のカット）

chi2 ・・・直線 fit の合い具合

chi2[cm2]>0.5を選択

トラック例（原子核）

トラック例（ γ 線）立ち上が

り点の直線 fit

　性能 2 ：飛跡の形状による γ 線除去

mode5 で取得できる飛跡の形状を用いて、原子核を残してガンマ線を効果的に除去できた

原子核事象の検出効率

ガンマ線事象の検出効率

• カット後のデータと Geant4 を比較　（ Geant4 はガスとの反応まで振る）

• 原子核• 検出効率： 30 ％ @50keV

（閾値）

• ガンマ線• 除去能力： 4×10-6@50-100keV

地下測定の結果

　地下測定RUN14 の条件

• depth : 2700 m.w.e• period : 2013/7/20 ～ 8/11• live time : 17.1 days• fiducial volume ： 28x24x41=27500cm3

• mass : 10.36g• exposure : ～ 0.18 kg days

Kamioka

地下 (LAB-B の奥 ) の NEWAGE-0.3b

　地下測定

RUN14 の測定結果

• エネルギースペクトル• エネルギー閾値： 100⇒50keV• BG レート： 1/10@100keV

• スカイマップ、 cosθ 分布• 統計が少なく、 cos 分布がフ

ラットなのか前方散乱の非対称性があるのかを有意に区別できない

RUN5 (NEWAGE-0.3a)RUN14 (NEWAGE-0.3b)

エネルギースペクトル

skymap

cosθ 分布

50-60keV 100-110keV

　地下測定方向感度を持つ検出器による制限

• 800pb@200GeV• RUN5 の約 10 倍更新

PRELIMINARY

p = 0.3 GeV/c2/cm3

v0 = 220 km/secvE = 244 km/secvesc = 650 km/secEnergy resolution = 50%Energy threshold = 50keV

まとめNEWAGE-0.3b の性能

• 方向感度のあるエネルギー閾値： 50keV• ガンマ線除去能力： 4×10-6 @50-100keV• 原子核検出効率： 30% @50keV

地下測定の結果• RUN5 の 1/10 の BG レート• Exposure ： 0.18 kg days （ live time ： 17days ）• σSD(χ→p) の制限： 800pb @200GeV

今後• 検出器の大型化•

まだだ、まだ終わらんよ