Dark matter is one of the biggest puzzle of the …ppnewage/presentations/...histo2 Entries 4094...
3
NEWAGE ~暗黒物質直接探索実験~ 神戸大学粒子物理学研究室 M1 橋本隆 • 質 質 1.暗黒物質(Dark Matter) 2.暗黒物質存在の証拠 回転速度[km/s] 銀河中心からの距離[kpc] 測定値 暗黒物質による寄与 New genera2on WIMP search with an advanced gaseous tracker experiment NEWAGEは神戸大学主導の方向に感度を持った 暗黒物質直接探索実験 宇宙の構成要素 cosθ 3-2.方向に感度があるメリット 既知の物質 暗黒物質 検出！ θ 3-3.検出原理 1. 暗黒物質が原子核を反跳する 2. 原子核がガス中の分子を電離 3. 生じた電子をドリフト 4. μ-PICから平面での位置情報を得 る、また時間情報からドリフト距 離(相対値)を再構成 暗黒物質 電子 GEM CF 4 ガス 2) μTPC 1) μPIC 原子核 方向に感度（前後の差数倍） 3-4.検出器 30cm 31cm 41cm 大型GEM 31x31 cm 2 Dri3 Cage 41 cm PEEK μPIC 30x30 cm 2 30cm 2) μTPC ・・・ Micro Time ProjecAon Chamber 1) μPIC ・・・ Micro Pixel Chamber • 方向感度では世界最良 • 暗黒物質は未発見 • また、現在の感度を制限しているの は暗黒物質以外のイベント(バックグ ラウンド)であり、バックグラウンド を2桁落とす ことを目標としている (My workへ) ガス検出器『マイクロTPC』 • ガス：CF 4 (0.1気圧) • 有効体積：28×24×41 cm 3 • 質量：10.36 g 4.My work 定性的に、μ-PICに含まれるU,Th系列の崩壊に より生じるα線が主なバックグラウンドになっ ている事がわかった！！ 4-3.今後 • α線によるバックグラウンドの定量的な 理解 • U,Thの少ないμ-PICの開発 天の川銀河 NEWAGE0.3b’ 3-5.最新結果 崩壊していく中でα線が出る 3.NEWAGE 宇宙の構成要素のうち、既知の物質は たった5% しかない。約27%は未知の物 質 で暗黒物質と呼ばれている。そこで、 暗黒物質の存在を直接観測できると、 宇宙の構造の理解が大きく進む。また、 暗黒物質は新粒子である可能性が高く、 直接観測されると素粒子の世界の大き な進展となる。 銀河の回転速度分布：銀河の回転速度 を観測してみると、既知の物質による 質量分布から予測されたもののみでは 説明できない。ここで、銀河に暗黒物 質の存在を仮定すると説明することが できる。 GEM：中間増幅器 (ガス利得 ~10) μPIC：400μm間隔で飛跡 情報を得ることができる (ガス利得 ~10 3 ) バックグラウンドの除去 • 主なバックグラウンドはウラン(U)、トリウ ム(Th)系列の崩壊 によって出てくるα線 – 暗黒物質イベントは原子核反跳イベントであり、α線 はHe原子核なので解析的に除去しづらい 100μm 800μm 100μm ガラス繊維で強化されたポリイ ミド(左：800μm、右100μm) μ-PICの断面図 1 • U,Thがどこに多く含まれているかを特定す るために、γ線検出器を用いて、検出器の 各部分に含まれるU,Thの含有量を測定 ウラン(U)系列 トリウム(Th)系列 白く見えているのがガラス count/keV/sec 既知の物質からの寄与 直接探索とは、暗黒物質と 反跳した原子核をみること NEWAGEは3次元飛跡 検出ができる！！ keV keV 0 50 100 150 200 250 300 350 400 -1 10 1 10 2 10 3 10 • μ-PICのポリイミド部分にU,Thが多く含まれている のが分かった！ • 元凶はおそらく補強材のガラス 黒：測定結果(RUN14) 赤：α線によるBGイベント(本研究) count/keV/sec 0 200 400 600 800 100 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0 200 400 600 800 1000 U系列： 214 Bi 609keV keV Th系列： 208 Tl 583keV 4-2.結果 不純物によるピークが いろんなところに！！ • 測定値をもとに、α線によるバックグラウ ンドを見積もった (エネルギー) 前 後 質量 [GeV/c 2 ] 10 10 2 10 3 感度 [ｐｂ] 電場E 暗黒物質 26.8% 既知の物質 4.9% 既知の物質 66.3% 3-1.直接探索 ピークから導出 U：0.401±0.084 [10 -6 ×g/g] Th：1.83±0.39 [10 -6 ×g/g] γ線検出器から求めた結果 • 方向に感度があると季節変動と比較して暗黒物質の確 かな証拠になる • 暗黒物質の更なる性質解明につながる 4-1.研究内容 現在では、暗黒物質は銀河中で一様 に分布し、止まっていると考えられ ている 季節変動：銀河に対する地球の相対速度 の差から、夏と冬で計数率に数％の差が 出ること 公転速度の差:30km/s
Transcript of Dark matter is one of the biggest puzzle of the …ppnewage/presentations/...histo2 Entries 4094...
NEWAGE ~暗黒物質直接探索実験~ 神戸大学粒子物理学研究室 M1 橋本隆
• 質 質
Chapter 1
Introduction
Dark matter is one of the biggest puzzle of the universe. In 1960s, the modern cosmology
was started by both the theory of relativity and observations of Cosmic Microwave Background
(CMB). In particular, recent observations of CMB[1], Baryon Acoustic Oscillation (BAO)[2],
and far distant Type Ia Supernovae[3], favor a flat universe consisting of 68.3% dark energy,
26.8% dark matter, and 4.9% baryon (ordinary matter), as shown in Figure 1.0.1. According
to these ”understandings”, the dark matter is not ordinary baryonic matter and it is very likely
to a particle in new physics beyond the Standard Model (SM) of the particle physics. In this
section, studies on the dark matter from the viewpoints of astrophysics (Section 1.1) and particle
physics (Section 1.2) are discussed, then the dark matter search experiments (Section 1.3) are
reviewed.
Figure 1.0.1: Composition of the energy of the universe. The universe was known to consist of 68.3%dark energy, 26.8% dark matter, and 4.9% baryon (ordinary matter) from recent observations[1]
.
4
1.暗黒物質(Dark Matter) 2.暗黒物質存在の証拠
回転
速度[km/s]
銀河中心からの距離[kpc]
測定値
暗黒物質による寄与
New genera2on WIMP search with an advanced gaseous tracker experiment
NEWAGEは神戸大学主導の方向に感度を持った暗黒物質直接探索実験
宇宙の構成要素
cosθ
3-2.方向に感度があるメリット
既知の物質
暗黒物質検出！
θ
3-3.検出原理
1. 暗黒物質が原子核を反跳する 2. 原子核がガス中の分子を電離 3. 生じた電子をドリフト 4. μ-PICから平面での位置情報を得る、また時間情報からドリフト距離(相対値)を再構成
暗黒物質
電子
GEM
CF4ガス
2)μ-‐TPC
1)μ-‐PIC
原子核
方向に感度（前後の差数倍）
3-4.検出器
30cm 31cm
41cm
大型GEM 31x31 cm2
Dri3 Cage 41 cm PEEK
µ-‐PIC 30x30 cm2
30cm
2)μ-‐TPC ・・・ Micro Time ProjecAon Chamber 1)μ-‐PIC ・・・ Micro Pixel Chamber
• 方向感度では世界最良 • 暗黒物質は未発見 • また、現在の感度を制限しているのは暗黒物質以外のイベント(バックグラウンド)であり、バックグラウンドを2桁落とすことを目標としている(My workへ)
ガス検出器『マイクロTPC』
• ガス：CF4(0.1気圧) • 有効体積：28×24×41 cm3 • 質量：10.36 g
4.My work
定性的に、μ-PICに含まれるU,Th系列の崩壊により生じるα線が主なバックグラウンドになっている事がわかった！！
4-3.今後 • α線によるバックグラウンドの定量的な理解
• U,Thの少ないμ-PICの開発
天の川銀河
NEWAGE-‐0.3b’
3-5.最新結果
崩壊していく中でα線が出る
3.NEWAGE
宇宙の構成要素のうち、既知の物質はたった5%しかない。約27%は未知の物質で暗黒物質と呼ばれている。そこで、暗黒物質の存在を直接観測できると、宇宙の構造の理解が大きく進む。また、暗黒物質は新粒子である可能性が高く、直接観測されると素粒子の世界の大きな進展となる。
銀河の回転速度分布：銀河の回転速度を観測してみると、既知の物質による質量分布から予測されたもののみでは説明できない。ここで、銀河に暗黒物質の存在を仮定すると説明することができる。
エネルギースペクトル（一例）
GEM：中間増幅器 (ガス利得 ~10)
µ-‐PIC：400μm間隔で飛跡情報を得ることができる (ガス利得 ~103)
バックグラウンドの除去 • 主なバックグラウンドはウラン(U)、トリウム(Th)系列の崩壊 によって出てくるα線 – 暗黒物質イベントは原子核反跳イベントであり、α線はHe原子核なので解析的に除去しづらい
100μm
800μm 100μm
ガラス繊維で強化されたポリイミド(左：800μm、右100μm)
μ-PICの断面図
1
• U,Thがどこに多く含まれているかを特定するために、γ線検出器を用いて、検出器の各部分に含まれるU,Thの含有量を測定
ウラン(U)系列 トリウム(Th)系列 白く見えているのがガラス
coun
t/keV/sec
既知の物質からの寄与
直接探索とは、暗黒物質と反跳した原子核をみること NEWAGEは3次元飛跡
検出ができる！！
keV keV
0 50 100 150 200 250 300 350 400
counts/keV/kg/days
-110
1
10
210
310RUN-14 (with all cut)
RUN-14 (without roundness-cut)
] 3Rn in gas 14.0[mBq/m220
TPC evts of U,Th in uPIC substrate 0.4,1.8[ppm]
gap evts of U,Th in uPIC substrate 0.4,1.8[ppm]
keV0 50 100 150 200 250 300 350 400
counts/keV/kg/days
-110
1
10
210
310
keV0 50 100 150 200 250 300 350 400
counts/keV/kg/days
-110
1
10
210
310 RUN-14 (without roundness-cut)gap evts GEM-gain=7gap evts GEM-gain=6gap evts GEM-gain=5gap evts GEM-gain=4
• μ-PICのポリイミド部分にU,Thが多く含まれているのが分かった！
• 元凶はおそらく補強材のガラス
黒：測定結果(RUN14) 赤：α線によるBGイベント(本研究)
coun
t/keV/sec
histo1_bifo_calEntries 4094Mean 533.4RMS 670.2
keV0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
coun
ts/b
in
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000histo1_bifo_calEntries 4094Mean 533.4RMS 670.2
histo1_bifo_calhisto2
Entries 4094Mean 596.5RMS 26.27
keV560 580 600 620 640
coun
ts/k
eV
200
400
600
800
1000
1200histo2
Entries 4094Mean 596.5RMS 26.27
histo2
keV0 200 400 600 800 1000
coun
ts/k
eV/s
ec
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
histo3histo4
Entries 4094Mean 596.5RMS 26.27
keV560 580 600 620 640
coun
ts/k
eV/s
ec
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.001
0.0012
0.0014
0.0016
0.0018
0.002histo4
Entries 4094Mean 596.5RMS 26.27
histo4
0 200 400 600 800 1000
U系列：214Bi 609keV
keV
Th系列：208Tl 583keV
4-2.結果
不純物によるピークがいろんなところに！！
• 測定値をもとに、α線によるバックグラウンドを見積もった
(エネルギー) 前 後
質量 [GeV/c2] 10 102 103
感度 [ｐ
ｂ]
電場E
暗黒物質 26.8%
既知の物質 4.9%
既知の物質 66.3%
3-1.直接探索
ピークから導出 U：0.401±0.084 [10-6×g/g] Th：1.83±0.39 [10-6×g/g]
γ線検出器から求めた結果
• 方向に感度があると季節変動と比較して暗黒物質の確かな証拠になる
• 暗黒物質の更なる性質解明につながる
4-1.研究内容
現在では、暗黒物質は銀河中で一様に分布し、止まっていると考えられている
季節変動：銀河に対する地球の相対速度の差から、夏と冬で計数率に数％の差が出ること
公転速度の差:30km/s
μ-‐PIC (ポリイミド100μm+ポリイミド800μm)
TPC事象
gap事象
keV
histo1_bifo_calEntries 4094Mean 490.7RMS 597.3
keV0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
coun
ts/b
in
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
histo1_bifo_calEntries 4094Mean 490.7RMS 597.3
histo1_bifo_calhisto2
Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
keV560 580 600 620 640
coun
ts/k
eV
1000
2000
3000
4000
5000
histo2Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
histo2
keV0 200 400 600 800 1000
coun
ts/k
eV/s
ec
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
histo3histo4
Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
keV560 580 600 620 640
coun
ts/k
eV/s
ec
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
histo4Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
histo4
青：μ-PIC本体の測定結果 赤：サンプルなしでの測定結果
U系列：214Bi 609keV
Th系列：208Tl 583keV
0 200 400 600 800 1000
keV
coun
t/keV/sec
U,Th由来のピークがいろんなところに見えてる
[g] 238U[10-‐6×g/g] 232Th[10-‐6×g/g]
μ-‐PIC 169.56 0.60±0.13 2.94±0.62
ポリイミド 800μm 134 0.450±0.096 1.95±0.41
ポリイミド 100μm 35 0.401±0.084 1.83±0.39
CuSO4 72 <0.025 <0.042
GEM 27 <0.022 <0.100
測定結果
coun
t/keV/sec
100μm 800μm
100μm
メッキ液(CuSO4)72g
ガラス繊維で強化されたポリイミド(左：800μm、右100μm)
μ-PICの断面図
2
GEM(LCP+銅)27g
白く見えているのがガラス
NEWAGE ~暗黒物質直接探索実験~ 神戸大学粒子物理学研究室 M1 橋本隆
• 質 質
Chapter 1
Introduction
Dark matter is one of the biggest puzzle of the universe. In 1960s, the modern cosmology
was started by both the theory of relativity and observations of Cosmic Microwave Background
(CMB). In particular, recent observations of CMB[1], Baryon Acoustic Oscillation (BAO)[2],
and far distant Type Ia Supernovae[3], favor a flat universe consisting of 68.3% dark energy,
26.8% dark matter, and 4.9% baryon (ordinary matter), as shown in Figure 1.0.1. According
to these ”understandings”, the dark matter is not ordinary baryonic matter and it is very likely
to a particle in new physics beyond the Standard Model (SM) of the particle physics. In this
section, studies on the dark matter from the viewpoints of astrophysics (Section 1.1) and particle
physics (Section 1.2) are discussed, then the dark matter search experiments (Section 1.3) are
reviewed.
Figure 1.0.1: Composition of the energy of the universe. The universe was known to consist of 68.3%dark energy, 26.8% dark matter, and 4.9% baryon (ordinary matter) from recent observations[1]
.
4
1.暗黒物質(Dark Matter) 2.暗黒物質存在の証拠
回転
速度[km/s]
銀河中心からの距離[kpc]
測定値
暗黒物質による寄与
既知の物質からの予測
New genera2on WIMP search with an advanced gaseous tracker experiment
NEWAGEは神戸大学主導の方向に感度を持った暗黒物質直接探索実験
宇宙の構成要素
季節変動（数％）
cosθ
方向に感度があるメリット
・季節変動と比較して暗黒物質の確かな証拠になる ・更なる性質解明につながる
既知の物質
Dark Matter
検出！
θ DM
白鳥座
検出原理 1. 暗黒物質が原子核を反跳する 2. 原子核がガス中の分子を電離 3. 生じた電子をドリフト、GEM及びμ-PICでガス増幅 4. μ-PICから平面での位置情報を得る、また時間情報からドリフト距離(相対値)を再構成
暗黒物質
電子
GEM
CF4ガス
2)μ-‐TPC
1)μ-‐PIC
原子核
方向に感度（数倍）
検出器
30cm 31cm
41cm
大型GEM 31x31 cm2
Dri3 Cage 41 cm PEEK
µ-‐PIC 30x30 cm2
30cm
2)μ-‐TPC ・・・ Micro Time ProjecAon Chamber 1)μ-‐PIC ・・・ Micro Pixel Chamber
• 方向感度では世界最良 • 暗黒物質らしき信号いまだなし • 暗黒物質のイベントは極めて低いイベントであるため、暗黒物質以外のイベント(バックグラウンド)の更なる理解・低減に関する研究は必須
• また、現在の感度を制限しているのはバックグラウンドであり、バックグラウンドを2桁落とすことを目標としている
ガス検出器『マイクロTPC』
• ガス：CF4(0.1気圧) • 有効体積：28×24×41 cm3 • 質量：10.36 g
4.My work
keV0 50 100 150 200 250 300 350 400
counts/keV/kg/days
-110
1
10
210
310
keV0 50 100 150 200 250 300 350 400
counts/keV/kg/days
-110
1
10
210
310RUN-14 (without roundness-cut)
TPC evts of U,Th in uPIC substrate 0.4,1.8[ppm]
TPC evts of U,Th in uPIC substrate 0.4,1.8[ppm]
黒：測定結果(RUN14) 赤、ピンク：
正確にではないが、確かにμ-PICに含まれるU,Th系列の崩壊により生じるα線が主なBGになっている事がわかった！！
今後
• U,Th由来のα線イベントの解析的な除去 • U,Thの少ないμ-PICの開発
他にもいくつか証拠はある…
天の川銀河
NEWAGE0.3b’
coun
t/keV/sec
最新結果
崩壊していく中でα線が出る
3.NEWAGE
宇宙の構成要素のうち、既知の物質はたった4%しかない。暗黒物質とは、宇宙の構成要素のうちの約26%の未知の物質のことである。そこで、暗黒物質の存在を直接観測できると、新粒子発見となる可能性も高く、宇宙の構造の理解が大きく進むとされている。
銀河の回転速度分布：銀河の回転速度を観測してみると、既知の物質による質量分布から予測されたものとは大きく違った。ここで、暗黒物質の存在を仮定すると説明できる。
エネルギースペクトル（一例）
keV
エネルギー+飛跡
GEM：中間増幅器 (ガス利得 ~10)
µ-‐PIC：400μm間隔で飛跡情報を得ることができる (ガス利得 ~103)
バックグラウンドの研究 • 主なバックグラウンドはウラン(U)、トリウム(Th)系列の崩壊よって出てくるα線 – 暗黒物質イベントは原子核反跳イベントであり、α線はHe原子核なので解析的に除去しづらい
• やりたいことは、U,Thの除去 • まずやるべきことは、U,Thが検出器のどこに多く含まれているかを特定すること
100μm
800μm 100μm
ガラス繊維で強化されたポリイミド(左：800μm、右100μm)
μ-PICの断面図
3
• γ線検出器を用いて、検出器の各部分に含まれるU,Thの含有量を測定 – μ-PICのポリイミド部分にU,Thが多く含まれているのが分かった！
– 元凶はおそらく補強材のガラス
ウラン(U)系列 トリウム(Th)系列
• 量を見積もるために、測定値をもとにシミュレーション
白く見えているのがガラス
keV
histo1_bifo_calEntries 4094Mean 490.7RMS 597.3
keV0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
coun
ts/b
in
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
histo1_bifo_calEntries 4094Mean 490.7RMS 597.3
histo1_bifo_calhisto2
Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
keV560 580 600 620 640
coun
ts/k
eV
1000
2000
3000
4000
5000
histo2Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
histo2
keV0 200 400 600 800 1000
coun
ts/k
eV/s
ec
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
histo3histo4
Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
keV560 580 600 620 640
coun
ts/k
eV/s
ec
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
histo4Entries 4094Mean 596.2RMS 24.34
histo4青：μ-PIC本体の測定結果 赤：サンプルなしでの測定結果
U系列：214Bi 609keV
Th系列：208Tl 583keV
0 200 400 600 800 1000
keV
coun
t/keV/sec
不純物によるピークがいろんなところに！！
