高分解能原子核乾板を用いた暗黒物質探索 中竜大 名古屋大学基本粒子研究室 (F 研 ) ICEPP シンポジウム @ 白馬 2010.2.14-17
χ Direct Detection χ q q Indirect Detection χ γ, ν, lepton Accelerator Detection q χ χ γ, ν, lepton q χ
Target : Xe, Ge, Si, NaI, Ar etc Direct Dark Matter Search phonon CRESST CDMS, EDELWEISS COUPP ionization XENON, WArP, ZEPELIN light XMASS, DAMA, KIMs
Event rate [/kg/kev/day] How to detect the WIMP Detect the nuclear recoil by WIMP annual modulation detection Directional detection 30km/sec WIMP wind 230km/sec WIMP wind WIMP sea 30km/sec Require long exposure and large mass. highly reliable confirmation of WIMP 0.06 example 0.0575 0.055 0.0525 0.05 few % 0.0475 0.045 0.0425 WIMP mass 100GeV 0 20 40 60 80 cosθ
原子核乾板 原子核乾板による DM の方向検出 固体飛跡検出器 ( 密度 ~3g/cc) target mass 高い位置分解能 tracking 世界中で target mass を稼げて DM の方向検出が可能な検出器のアイディアはこれだけ すごくおもしろい もっと若ければこの研究をやりたかった Vitaly Ginsburg (2003 Nobel Prize)
Directional Dark Matter Detector gas DRIFT (CS 2,CS 2 -CF 4 ) NEWAGE(CF 4 ) DM-TPC(CF 4 ) MIMAC( 3 He/CF 4 ) 特に Spin dependent な反応に有利な target solid Nuclear emulsion (AgBr) Spin independent な反応に有利 (SD にも感度あり )
ゼラチン Principle of the Track detection in Nuclear Emulsion charged particle AgBr crystal Ag N AgBr 200nm Development ( grain ) only Ag 10μm Developing probability depend on the de/dx of the incident particle Resolution depend on AgBr size and density.
Required resolution of Nuclear Emulsion @earth Ex) WIMP mass any hundred GeV/c 2 Target : heavy atom (Br,Ag) < light atom (C,N,O) < recoil energy 600keV 100keV Required tracking resolution < 300~400nm
High resolution emulsion ( Tracker:NIT (Nano Imaging ( emulsion normal emulsion(opera NIT 200nm size 200±16 nm density 2.8g/cc V AgBr : V gel = 3 : 7 2.3 grains/μm size 40±9 nm density 2.8g/cc V AgBr : V gel = 3 : 7 11 grains/μm 5times high resolution
Check of the sensitivity of nuclear emulsion to the low velocity Kr ion. サイズ 7cm 3cm 乳剤層の厚み NIT:5μm OPERA:20μm Top view NIT emulsion Rotation stage Ion beam Low velocity ion created by an ion implantation system Side view Kr Electron microscope NIT
SEM image Track data ( 600keV ) Kr 3+ 1200km/s 600keV Kr 600 nm ( 200keV ) Kr + 680km/s 200keV Kr 200 nm NIT can detect tracks recoiled by WIMPs! M.Natsume et al. NIM A 575(2007) 439
主な課題 1μm 以下の飛跡をいかに読みだすか この R&D がもっとも challenging ( これを clear すればすぐに実験開始が可能 ) Background rejection より高分解能な NIT lower energy threshold OPERA 実験まで蓄積された原子核乾板技術の延長とは違ったアプローチが必要!!
Strategy of readout of submicron NR track これさえできれば mass を増やすのは簡単!! 1. Expanding emulsion emulsion を膨らますことで 飛跡を引き伸ばす 100nm (need electron microscope) 1μm ( can use optical microscope) 長所 Track 認識が非常に簡単短所 Scanning volume の増大 2. 銀粒子からの散乱光における非線形応答 散乱光から飛跡候補を pick up 高分解能な顕微鏡で check 長所高速 scanning 短所銀粒子のサイズ 形状の制御
Swell the low velocity ion tracks recorded in the NIT Swell technique of NIT emulsion 現像後の emulsion Kr ion Range ~100nm order swell 10 timers X,Y 2times Expected range ~ μm order ph treatment + glycerin treatment Larger swelling (possible to 10 timesl)
200keV 400keV 600keV No exposure Random fog ( point (just one T.Naka et al. Nucl. Inst. Meth. A 581(2007) 761
600keV Kr 3D image of optical microscope
Automatic scanning R&D by UTS
中性子による recoil track で scanning test 通常の原子核乾板の飛跡認識 今回の飛跡認識 16 層に分割 4μm 10μm 16 層に分割 4μm 暗視野顕微鏡を使用 任意の深さポイントから scan
Automatic scanning R&D result BG (random fog) track Pulse hight Pulse hight Ph>9 Tracking efficiency ph>9 cut 86+-11% ph>10 cut 81+-13%
散乱光の track 情報 Gold nano particle 金属ナノ粒子のプラズモン共鳴 ε(ω)-1 p= a 3 E ε(ω)+2 誘電関数 ε(ω)=-2 のときの周波数で共鳴ピークを持つ ここで ε(ω)=1-ω p2 /ω 2 [ ドルーデモデル近似 ] C.Sonnichsen et. al Phys.Rev.Lett. Vol.88 Num.7 共鳴周波数は サイズや形状 金属種に依存 (emulsion では銀ナノ粒子 ) 並んだ銀ナノ粒子光学応答 (b) 偏光方向による散乱強度の違い 双極子モーメント a) P=(1-α/r 3 )p 0 b) p=(1+2α/r 3 )p 0 α= ε(ω)-1 ε(ω)+2 a3 (a) b) の方が 2p 0 より大きな双極子が誘起される a) では 2p 0 より小さくなる 100nm
R 原子核乾板中での利用 = NIT 中での飛跡 ( 銀ナノ粒子の並び ) 乾板中で 100nm の銀粒子が並んだ場合をシミュレーション ( 媒質屈折率 =1.5) FDTD simulation 0.7 0.6 0.5 (a) (b) 飛跡候補の高速選び出し 波長 : サイズ 偏光依存 : 方向 0.4 0.3 0.2 0.1 高分解能の顕微鏡で飛跡を最終チェック! 0.0 600 650 700 750 800 wavelength (nm) 協力 : 北大三澤研究室
Spectrum Wavelength shift event No wavelength shift event
X 線顕微鏡 @SPring8 Xray 100μm 厚の乾板も観察可能 非破壊観察ができる 高分解能 (δx~100nm) Kr (400keV) 400nm
Background rejection concept range [/μm] For γray, electron Sensitivity control nuclear emulsion itself development control shield For αray range discrimination development control fiduecial cut alpha from Th,U chain and Rn is not background For neutron shield development control directional Sensitivity of emulsion is corresponded to generated rate of latent image. depending on de/dx of incoming particle. <10-5 rejection power 3.9 3.7 3.5 3.3 3.1 2.9 2.7 2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 1.3 1.1 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 αray range vs energy Not background 10 100 1000 αray energy [kev] αray track 20μm
乳剤製造システム これまで Fuji Film が原子核乳剤を製造してきたが AgNO 3 KBr (NaBr) 研究室で乳剤を自由に製造 R&D 装置 : Fuji Film の乳剤製造装置メーカーと提携技官 ( 職人 ):OPERA film NIT を開発した技術者の全面協力 AgBr ゼラチン水溶液 AgNO 3 +KBr AgBr+KNO 3 Qualityの高いNITの定常的な生産 低バックグラウンド ( 特に 40 K)NIT 開発 さらなる高分解能 NITの開発 高分解能 高感度原子核乾板の開発 OPERA 乳剤の生産
cross section(wimp-nucleon) [pb] 1kg year best limit for NIT 1.00E-03 1.00E-04 Rth>200nm 1.00E-05 DAMA Rth>100nm 1.00E-06 Rth>50nm 1.00E-07 1.00E-08 10 100 1000 10000 WIMP mass [GeV] 最初の目標 :DAMA 領域を directional で検証
NIT WIMP sensitivity for WIMPs event rate 1 counts/(1000kg year) limit Range threshold 200nm 100nm XENON 10 (0.37kg year) 50nm Less than 1kg year exposure to see DAMA region
Summary 高分解能原子核乾板 NIT を開発 世界で唯一の dark matter の方向検出可能な solid detector 開発要素 -1μm 以下の飛跡読み出し -background rejection ( 現状で electron に対して 10-5 ) 乳剤製造 facility の建設によって定常的な生産と開発が可能となる まずは DAMA 領域の探索が目標 将来的に数トンの dark matter の方向検出を目指す