XMASS
ダークマター懇談会2020(online)
2020年9月8日
日本大学理工学部
小川 洋 他XMASS collaboration

XMASS実験
Neutrino-lessdouble beta decay• １相式 (scintillation only) 液体キセノン検出器• 神岡宇宙地下素粒子実験施設 Lab-C(~2700m.w.e.)に設置• 世界初のton class暗黒物質探索実験• 大光量~15pe/keV ➡低閾値（~1keV)• 液体キセノンを使った“極低バックグラウンド多目的検出器”• ➡暗黒物質探索だけでなく、低エネルギーの色々な物理事象の研究が可能。
• 2019年2月に観測完了
2010
Detector
construction2011
Commissionin
g run datataking

2012

2013
Detectorrefurbish
ment

2014

2015

Dark matter

Solar neutrino

2016

2017

2018

2019

Data taking (-Feb.2019)>5yrs continues operation2XMASS collaboration
ICRR, University of Tokyo

K.Abe, K.Hiraide, N.Kato, S.Moriyama, M.Nakahata, K.Sato,
H.Sekiya, T.Suzuki, Y.Suzuki, S.Tasaka, A.Takeda

Kavli IPMU, University of Tokyo

K.Martens, A.Mason

Kobe University

Y.Takeuchi, K.Miuchi

Tokai University

K.Nishijima

Yokohama National University

S.Nakamura

Miyagi University of Education

Y.Fukuda

Nihon University

H.Ogawa

ISEE, Nagoya University

M.Yamashita, Y.Itow

RCNS, Tohoku University

K.Ichimura, Y.Kishimoto

KRISS

M.K.Lee, K.B.Lee

CUP, IBS

N.Y.Kim, Y.D.Kim, Y.H.Kim

CAPPR, IBS

B.S.Yang

Tsinghua University

B.D.XuWRISE, Waseda University

K.Kobayashi

XMASS-I 検出器

Japan• １相式 (scintillation only) 液体キセノン検出器• 神岡宇宙地下素粒子実験施設 Lab-C (~2700m.w.e.)• muon veto用の10x10m 水タンク＋70本20インチPMT• 630 六角 & 12 円筒 光電子増倍管（PMT) : 28-39% Q.E.
• photocathode coverage: ~ 62%• 検出器内部感度領域の液体キセノン量：832kg (直径～80cm)

Kamioka Mine

Tokyo~80cm4

XMASS-I これまでの成果
Annual modulation
PRD97,102006 (2018)

Sub-GeV DM search
PLB795(2019)308-313
Hidden photon DM
PLB787(2018)153-158.

Direct DM search
PLB789(2019)45-53.

WIMP inelastic scattering
Astropart. Phys. 110(2019)1-7

様々な手法でDM探索

XMASS-I これまでの成果
2νECEC on 124Xe, 126Xe
PTEP(2018)053D03

Possibility of SN neutrino detection
Astropart. Phys. 89(2017)51

Solar KK axion search
PTEP(2017)103C01

GW related burst searcharXiv:2007.16046
Submitted to Astropart. Phys.

Exotic neutrino interaction search
PLB 809 (2020) 135741 [new!]

Today’s main topic

DM以外の物理ター
ゲットでも成果

XMASS-Iによるsolar axion探索

PLB 724 (2013) 46-50

 Assumption of axion production in the sun : bremsstrahlung and Φ ∝g 2aaeeCompton effect.
 detected by axio-electric effect in XMASS.
 Using commissioning run data (2012)
Bremsstrahlung andCompton effect

XMASS datagaee
Axio-electric effectgaee<5.4 x 10-11

XENON1Tgae<3.7 x 10-12
arXiv:2006.09721

太陽ニュートリノによるエキゾチッ
クなニュートリノ相互作用の探索• 太陽ニュートリノをXMASS-I実験等の現行暗黒物質探索検出器で観測➡1/100以上のバックグラウンド削減が必要。
• 標準理論の拡張で、エキゾチックなニュートリノ相互作用がある場合、低エネルギーでの事象の増加が期待される。➡低閾値を持つ暗黒物質探索検出器が有利。
• 太陽ニュートリノとキセノン電子による、以下を介した相互作用をXMASS-I検出器で探索：• ニュートリノ微弱荷電(millicharge)• ニュートリノ磁気能率(magnetic moment)• Dark photon (U(1)B-L) を介した相互作用

Weak interaction.

+Exotic interaction.

ννν ν

ニュートリノの微弱電荷(millicharge)• 素粒子の標準理論で、ニュートリノの電荷はゼロと仮定している。
• 電荷の量子化が証明されていないので、ニュートリノが微電荷をもつ可能性がある。
• これまでの直接探索：• 原子炉からの反電子ニュートリノを用いた、ニュート
リノー電子電磁相互作用の探索(GEMMA’s data,A.Studenikin, Europhys.Lett. 107 (2014)39901) δe < 1.5 x 10-12e• 真空中の複屈折からの探索 (PVLAS, F.Della Valle et al., Eur.
Phys. J. C 76(2016)24) δe,μ,τ < 3 x 10-8 e @ mν<10meV• XMASSでは..

• 太陽ニュートリノによる電磁相互作用の探索
𝑑𝜎2𝜋𝛼 2≅𝛿2𝑑𝑇𝑒 𝐸𝑀 𝑚𝑒 𝑇𝑒• ニュートリノ振動により含まれるνe, νμ, ντ成分により、各フレーバーごとに探索を実施する。

ニュートリノ磁気能率(magnetic moment)• ニュートリノの磁気能率：標準理論の少しの拡張によって予言：※ニュートリノ散乱断面
Adv.HighEnergy Phys. 2012 (2012) 350積

• 標準理論をさらに拡張すると、10-(10~12)μBの磁気能率を持つ可能性 (PRL58.1807(1987))• ニュートリノがマヨラナである。
• ※Diracニュートリノでは<10-14μBの制限• 磁気能率があったら、ニュートリノの相互作用に“電磁相互作用”の成分が加わる。

先行研究 :
Borexino μνs(Eν<1MeV) < 2.8x10-11μB(90% C.L.) [太陽ニュートリノ]
10.1103/PhysRevD.96.091103
GEMMA μν < 2.9×10-11μB (90% C.L.)[原子炉ニュートリノ]
10Adv.High Energy Phys. 2012 (2012) 350150

”Dark photon”を介したニュート
リノ-電子相互作用
S.Bilmis et al, Phys.Rev.D 92, 033009 (2015)• Hidden sectorに含まれるdark photonは、ゲージボゾンしてニュートリノ-電子相互作用に影響を与えることができるモデルがある。
• ＝>U(1)B-L (baryon number – lepton number)※10MeVのニュートリノ

• MA’ : Dark photon 質量• gB-L : coupling constant• Muon g-2 anomaly を説明する候補の一つでもある。

11

キセノンで期待されるエネルギー分布• 低エネルギーの太陽ニュートリノ(pp, 7Be)をニュートリノ源として探索する。

• ニュートリノーキセノン中電子との相互作
用• 原子効果を考慮：キセノン原子と軌道電子の結合エネルギーにより、低エネルギーにおける散乱断面積が抑制。
• 微弱電荷・磁気能率: 低いエネルギーで急激に増加。 Rate ∝ (δ)2, Spectrum ∝ 1/(T )2Neutrino deposition energy [keV]eRate ∝ (μν )2, Spectrum ∝ 1/Te

• Dark photon :小さい質量では低いエネル
ギーで急激に増加するが、大きい質量では、1.
2.
エネルギー依存は少ない。

Rate ∝ (gB-L)4/(MA’2+2meT)23.

(FEA case)Φ: solar neutrino flux ( 5.98×1010cm-2s-1 for pp chain and 5.00×109cm-2s-1
7Be chain)
Interference effect with weak interaction is assumed for dark photon analysis.
Assuming atomic effects : Free electron approximation for neutrino magnetic
moment and dark photon analyses. Relastivistic random phase approximation
for neutrino millicharge analysis.

Event selection :• データ：• 2013Nov-2016Mar livetime = 711 days
• 解析エネルギー領域：• 2-15 keV for millicharge analysis• 2-200 keV for magnetic moment & dark
photon analysis• Event selection :• Noise, Cherenkov 事象カット• 有効体積カット• Timing base reconstruction R(T)<38cm• PE base reconstruction R(PE)<20cm• 有効体積：97kg• 予想される信号：• キセノンで期待されるエネルギー分布をXMASS MCで作り、データと同じeventselectionを実施• 系統誤差を評価：scintillation efficiency(~15% for the millicharge signal), event
selectionの不定性など。

Reconstructed energy [keV]

Background evaluation in XMASS-I
BG in detector surface：
210Pb

Gamma-ray of detectormaterial origin.
HPGe measurement

Measurement byalpha counter
NIMA884(2018)157

PMT origin isdominant.

Alpha event analysis

BG in LXe

222Rn, 85Kr, 39Ar, 14C
Xenon isotopes

BG components
in XMASS-I

HPGe screening &spectrum fit

 222Rn, 85Kr : coincidence event
analysis.
 14C, 39Ar : R<30cm spectrum
fitting above 30keV
 2-200keV 解析では,fittingconstraintは除いた。
 Other RIs : 2νββ of 136Xe.
 125I, 125Xe : thermal
neutron origin. +/-27 %error are applied inneutron flux.
 133Xe, 131mXe : fast neutronorigin.

Alpha counter & alpha eventanalysis

15• Background MCは、XMASS MCによって、それぞれの部材・RIごとに発生させている。
• データと同じ統計量で、同じevent reductionを行う。
• 液体キセノンのopticalparameterのdataset期間における変化を追う。
• 定期的なCo57・Co60calibrationを実施 している。
• これによりキセノンの経時変化による系統誤差をキャンセルしている。

[event/day/kg/keV]

有効体積内のバックグラウンドの評価
LXe (w/oneutron origin)Pb210 copper
plate and ring

LXe neutronorigin

PMT aluminumseal

Pb210 surface

PMT (exceptaluminum seal)

Reconstructed energy [keV]• ＜30keV : 主に、検出器表面起源の事象• PMT死角部分で起こった事象の光量分布が有効体積内事象と似てしまう。
• >30keV : 液体キセノン中の事象• Rn222, Kr85, Ar39, C14• 中性子起源のキセノン同位体• 一様に分布するため、有効体積カットで除くことができない。

[event/day/kg/keV]• 最も大きいのは、<10keVにある検出器表面構造の不定性。
• Dead PMTにより発生する有効体積内とされた事象がXMASS MCで再現されない分を独立に評価し、その補正と、系統誤差を見積もった。

Reconstructed energy [keV][event/day/kg/keV]

バックグラウンドの系統誤差：BG all (before correction)
BG all (after correction)
Systematic uncertainly
by dead PMT

Reconstructed energy [keV]

データ、予想される信号及びバックグラウンドMCのエネルギー分布をχ2フィットすることで、信号を探索した。

微弱電荷(Millicharge)の結果 (2-15keV)• 有意な微電荷信号は見られず。
• Upper limit 90% C.L. : 5.4x10-12e• 各フレーバーごとの上限値を求め、正ニュートリノに関しては、最も強い制限を与えた。

XMASS :
δe < 7.3 x 10-12e
δμ< 1.1 x 10-11e
δτ< 1.1 x 10-11e

Signal efficiency w/
systematic uncertainty

Reactorneutrino exp.

Data
ニュートリノ磁気能率, dark
BG+signal (best fit)
BG+signal (1sigma err)
photon(U(1)ゲージボソン）の探索結果 Signal (90% upper limit)• 共に有意な信号は観測されず。

• ニュートリノ磁気能率:• Best fit : μν=1.3×10-10μB (χ2/d.o.f=85.9/98)• Null signal : χ2/d.o.f = 88.2/98• 90% CL upper limit : μν=1.8×10-10μB• dark photon :• MA’ =1×10-3MeV/c2• Best fit : gB-L=1.1×10-6 (χ2/d.o.f=85.3/98)• 90% CL upper limit : gB-L=1.3×10-6• MA’ =10MeV/c2• Best fit : gB-L= Null (χ2/d.o.f=88.2/98)• 90% CL upper limit : gB-L=8.8×10-5

Dark photon (U(1)ゲージボゾン)の排除領域：• 他実験、観測による排除領域：
S.Bilmis et al, Phys.Rev.D 92,033009 (2015)• XMASSの結果は、他ニュートリノ実験におけるニュートリノ-電子散乱からの見積もり（点線）と同程度• (g-2) anomaly をdark photonで説明する領域をほぼ排除した。
“search for exotic neutrino-electroninteractions using solar neutrinos in XMASS-I”
K. Abe et al. (XMASS collaboration),
Published to PLB 809 (2020) 135741

Comparison with the result of XENON1T (magnetic moment analysis )Contents~2keV>30keV

RateXMASSXENON1T~2x10-3 [dru :/day/kg/keV]~2x10-4 [dru]Sig. eff @ ~10 %
2keV

~70 %

Dominant Detector surface
BG
originInternal RI~2.7x10-4dru

Rate~3-4x10-4 [dru]~2x10-4 [dru]Sig. eff

~75 %

~85 %

Dominant Internal RI
BG
XMASS best : 1.3 x 10-10μB
Rate XENON1T/XMASS (@5keV)~ 1/10
Sig. eff. XENON1T/XMASS : ~7
estimated νμ by XENON1T/XMASS ~(𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜)0.5=
𝑒𝑓𝑓 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜

XENON1T arXiv:2006.09721∈ (1.4,2.9) × 10−11 𝜇𝐵
Best:~2.3x10-11μB

Internal RI
BG+ sig best (1.3 x 10-10μB)XMASS(0.1)0.5~0.21790% CL upper limit :1.8x10-10μB=> (XENON1T) 2.8 x 10-11μB

Difference btw XMASS and XENON1T is mainly
introduced by BG rate & efficiency in low energy.

020406080

100120 140 160 180 200
Reconstructed energy [keV]Conclusion :• XMASS : ～１トンの液体キセノンによる極低バックグラウンド多目的検出器。2019年2月に観測完了。
• ニュートリノの微弱電荷、磁気能率及びdark photonを介した相互作用の探索を、XMASS検出器で実施した。=> published newly : PLB 809 (2020) 135741• 2-15keV, 2-200keVのエネルギー領域において、データ、予想される信号及びバックグラウンドMCのエネルギー分布をχ2フィットすることで、信号を探索した。
• 探索の結果、有意な信号は観測されなかったことから、上限を示した。
• ニュートリノ微弱電荷： δν< 5.4x10-12e• 正ニュートリノでの微弱電荷探索としては、最高感度を達成• ニュートリノ磁気能率:μν<1.8×10-10μB• dark photon :• gB-L<1.3×10-6 (MA’ =1×10-3MeV/c2), gB-L<8.8×10-5 (MA’ =10MeV/c2),• (g-2) anomaly をdark photon で説明する領域をほぼ排除した。
• XENON1Tとの比較：low energyでのrateとsignal efficiency の違いで説明できる。