2018/12/15〜MPGD @京都大学〜

暗黒物質直接検出に向けた1相式液体キセノンTPCによる低エネルギー比例蛍光の観測所属: 名大ISEE
氏名: 石井 瞭

話の流れ①TPCについて②研究目的、実験内容③実験結果

・エネルギー校正・電場依存性・粒子識別!21相式 / 2相式 液体キセノン TPC

3次元的な位置が再構成できる！

XENON実験, LUX実験
液体キセノン相と気体キセノンの２相式TPCを導入した暗黒物質直接探索実験が行われている
２相式TPCの原理
・液体キセノン中に入った粒子によって、シンチレーション光(S1)が発生する。

・それに伴って発生した電子が、電場によってドリフトされる。

・そして、気相までドリフトされた電子は電荷増幅をし比例蛍光(S2)が発生する

S1/S2信号の比を計算することで、入射粒子によって生じるXeの再結合密度の違いから２相式TPCの原理

2相式検出器で問題になっているのが、・液面とanode wireの管理

WIMP由来の信号とバックグランド由来の信号を区別することができる

S2/S1: α < n < γ

液面は Anode と gate grid の間の距離を一定に保たなければならない→大型化が難しい

!3

研究目的

暗黒物質直接探索用TPCのイメージ

暗黒物質直接探索のため

液相１相式液体キセノンTPCを開発している

Charge+HV

〜液相１相式TPCの特徴〜
短所
長所・液面管理がいらない

・比例蛍光を得るため、・大型化が容易

高電場勾配が必要→ S2 threshold 412 kV/cm

E. Aprile et al. physics.ins-det(2014)
S1 : 直接蛍光

E

S2



e--e-
e S1

S2 : S1発生時に生じた電子をドリフトし、高電場領域で発生させる比例蛍光・S1とS2の時間差
S1S2

Time

→ドリフト方向の反応位置を特定
・S1/S2比→原子核反跳と電子反跳を区別→小型のワイヤーAnode(φ10μm)テストベンチを用いて、内部線源241Amを導入し、α5.5MeV、γ59.5keV に対する応答を調べる!4

本装置のこれまでの試み〜2017年 Setup〜② ワイヤー電極による電場形成

・5.5 MeV由来のS2は観測されたが、GEMとワイヤーの2種類のSetup

59.5 keV以下は観測されていない〜2016年 Setup〜
++HV

S2

① GEMによる電場形成

・S2は観測できなかった→低エネルギーS2を発生させるのに十分な電場ではない

GEM
+HV

→GEMでは十分な電場が形成

S2
Anode wire

φ=10 μm+HV

されていないS1

S1electronsource holder

source holder
γ / X ray

10mmelectron
γ / X ray

GEM

source holder

!5

実験装置
・OVCとIVCの間を圧力計

真空にして断熱している

・IVC内は液体キセノンで満たされている
・テフロンのスペーサー
使用キセノンの量を減らすため光るActiveな領域を減らすため・スペーサーには配線用の穴も液体キセノンが満たされている
・-102.4℃、0.049MPaの液体キセノンの状態で実験をした

・10-5 Pa台まで真空に引いた後、281.6LのガスXeを導入

Getter

流量計

減圧弁

流量計
TPC

Xe

ボトル

外真空容器

外真空容器

内Xe容器

TPC

504 mm

609 mm
168 mm101.6 mm

!6

IVC内のsetup
・本実験のIVCは配線用の穴を従来のIVCより小さくした→ 有効体積外で光る部分を減らした

・Am内部線源を表面線源にした→ αのS1,S2が上下のPMTで観測できるようにジオメトリーを改善した線源とAnode間の距離
8.13mm

内部線源

PMTAm

GND

Anode

Source holder
LXe (32 32 35mm)

GND

PMT

IVCの側面
IVCの内部PMT

Anode wire φ10μm

25.7 mm25.7 mm28.25mm

32 mm
SourcePMT window

GND

R8520-406!7

DAQと解析方法
上PMT

Linearfan out

DividerPM-ampdiscriminator(16dB)

Attenuator
Attenuator
下PMTDivider(16dB)

Linearfan out
Linearfan out

coincidence

FADC

Linearfan out

PM-ampdiscriminator
FADC trigger: 上下PMT

threshold -40〜100 mV

4.5 kV時の信号
上PMT

波形面積を計算し、1p.e.の面積の比からp.e.を計算している

下PMT

S1

S2

1μs
20mV

drift time!8

電場のシミュレーション
・有限要素法解析ソフト(Femtet)
による電場シミュレーション

・ドリフト時間が一様になるよう線源からAnodeまで平行電場がElectric field [kV/cm]

Anode HVとワイヤー表面の電場シミュレーション結果形成されるように設計した

1kV(Anode)印加で140kV/cm@wire
Anode HV [kV]

Anode 5kV時の電場シミュレーション結果

AnodeSource Holder!9TPC内の圧力,気温,S1光量の変化
予冷と導入 … 1day

(max: 751kV/cm@wire表面)

Pressure [MPa]

電圧 … 0〜5.5kV

Temperature [℃]

測定 … 13days

TPC内の圧力と温度〜光量の減少の原因〜

252Cf線源

・液体キセノン中に混在した水・放電による不純物の発生

・不純物とXeの融点と密度の違いから不純物はコールドヘッドに集まる・放電から光量が回復し安定するまで
5days
S1のヒストグラム

予冷+導入S1[p.e.]〜光量の増加〜

電圧印加

11500
11400

~5.5kV(Cf以外)

回収

α:5.5MeVのS1光量変化(@0kV)
5days~5.5kV放電~5.5kV放電~5.5kV放電

11300
5.5 MeV

5.0~5.4kV~5.3kV
外部線源

電圧印加~5.5kV

電圧印加

光量が安定し始める

11200
13days

~5.4kV
放電!10

241AmのS1観測 (@0kV)② S1@0kV ヒストグラム(α:5.5MeV)
eventsevents

① S1@0kV ヒストグラム(X/γ ~keV)

11540 +/- 3 p.e.
5.5 MeV

254 +/- 3 p.e.
59.5 keVee
Energy deposit [keVee]

48 +/- 6 p.e.
111 +/- 6 p.e.
13.9 keVee
23.3 keVee

1000[p.e.]

S1(@0kV): 4.2 p.e/keVee

14000[p.e.]③ Energy calibration (S1 keVee)60

20300 [p.e.]!11241Am@5kV でのS2観測
events426 +/- 31 p.e.
13.9 keVee② S2@5.0kV ヒストグラム(α:5.5MeV)
events

① S2@5.0kV ヒストグラム(X/γ ~keV)

872 +/- 58 p.e.
26.3 keVee

4000[p.e.]

2261 +/- 51 p.e.
59.5 keVee

16236 +/- 9 p.e.
5.5 MeV

25000[p.e.]③ Energy calibration (S2@5.0kV)

S2(@5.0kV): 39 p.e/keVee!12ドリフト速度の電場依存性
events

5kVの時のドリフト時間

241Am@5kVのドリフト時間3528.1 +/- 0.2 [ns]線源からAnodeワイヤーまでの距離は8.13 mm→ Drift speed v = (2.27 +/- 0.01 )× 105 [cm/sec]→ドリフト電場は〜kV/cm相当

Drift speed of electron in LXe

2
1driftspeed
speed[cm/sec][cm/sec]
drift5500[ns]

各HVごとのドリフト速度(α,γ)

200

α: 5.5 MeV

γ: 59.5 keV
1

35 Electric field[kV/cm]!13

S1の電場依存性

各電場(@ワイヤー表面)ごとのS1光量〜励起による発光過程〜

Xe* + Xe → Xe*2
Xe*2 → 2Xe + hv
〜再結合による発光過程〜

Xe+ + Xe → Xe+2Xe+2 + e- → Xe** + Xe
Xe** → Xe* + heat
Xe* + Xe → Xe*2
Xe*2 → 2Xe + hv
・電場によって再結合による発光過程に必要な電子がドリフトされるため光量が減少する

・高電場になるほどS1が小さくなる!14

S2[a.u.]

S2の電場依存性
各電場ごとのS2光量

各電場ごとの相対S2光量
S2 x104[p.e.]

43400

2
Anode HV 2.5kV

1100200Electric field [kV/cm]

3

Anode HV [kV]S2 threshold 320 kV/cm
・高電場になるほどドリフト電子数が増えS2が大きくなる
・先行研究を再現している
E. Aprile et al. physics.ins-det(2014)→ S2 threshold 412 kV/cm!15

S2/S1の電場依存性
log(S2/S1)

各電場ごとのlog(S2/S1)

5kVでのlog(S2/S1)のヒストグラム

210

α: 5.5MeV-1

γ: 〜60keV-101-2200log(S2/S1)

・α 5.5 MeVとγ 60 keV以下を400

Electric field [kV/cm]

5kVでのS2とlog(S2/S1)の関係
log(S2/S1)log(S2/S1)

S2/S1で識別することができた

1100

α: 5.5MeV-1
10203040-1
S2 x103[p.e.]

γ: 〜60keV
014

S2 x103[p.e.]!16

252Cf外部線源@5kV でのS1とS25kVでのlog(S2/S1)のヒストグラム

5kVでのS2とlog(S2/S1)のヒストグラム
γ: 〜60keV

α: 5.5MeV
log(S2/S1)log(S2/S1)S2 [p.e.]

内部線源γ

外部線源γ

IVC全体で電場が整っているわけではないためPMT

内部線源α
外部線源n@5kV

IVC

137Cs + 241Am
252Cf + 241Am

S2 [p.e.]

PMT!17

まとめ・表面線源を用いてとワイヤー(距離を8.1mm)のセットアップで実験したところ
先行研究を再現する電場変化に伴ったS1,S2の観測ができた
・13.9 keV, 26.3 keV, 59.5 keVの低エネルギーγ線のS2観測ができた
世界初！

・α:5.5 MeVとγ:〜60keVをS2/S1で識別することができた・さらなる解析を進めると252Cfによるγと中性子の識別はできそう!18

Back up

DAQと解析方法
上PMT

Linearfan out

DividerPM-ampLinearfan out
Linearfan out

下PMT

Divider

Attenuator(16dB)

上PMT

threshold -40〜100 mV

FADC

波形面積を計算し、Linearfan out

1p.e.の面積の比からp.e.を計算している

Voltage

4.5 kV時の信号

300ns 300ns

300ns 1000ns

1μs

下PMTTime閾値 -10mV

100mV

S1

写真

FADC trigger

FADC trigger: 上下PMT(16dB)

Attenuator

discriminatordrifttime

S2
S2 pedestal

300 ns 間の平均値

S1
drift time

S2

S1 pedestal

300 ns 間の平均値

S1波形面積ペデスタルを引いた
300 ns 間の積分値

S2波形面積ペデスタルを引いた1000 ns 間の積分値

drifttime
S1発生から閾値にかかるまでの時間!20

S2[a.u.]

S2の電場依存性

S2 threshold 212 kV/cm
各電場ごとのS2光量各電場ごとの相対S2光量
S2 x104[p.e.]

4340021100200

Electric field [kV/cm]

200

Electric field [kV/cm]〜 Fitting function 〜① S2 = p0 × exp{- p1 / (Ewire - p2)}
5.5 MeVS2 = ( 1.0 ± 0.3) ⇥ 1010

<latexit sha1_base64="DMjkM6bCRKF7WdQycXXC4yUD2RU=">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</latexit>

59.5 keV(2.2 ± 0.1) ⇥ 104⇥ exp()
Ewire + (1.02 ± 0.04) ⇥ 103(1.8 ± 0.3) ⇥ 104
S2 = ( 2.0 ± 2.2) ⇥ 10 ⇥ exp()
Ewire + (9.6 ± 1.2) ⇥ 102~30 keV8<latexit sha1_base64="siiLDlGWe7MUz0RrSlAjiC5+yJY=">AAAC0XichVHPa9RAFH6JVdv1R7d6EbwEl5YUaXhJl3YVhIIIPe523bbQ1JCks3XY/CKZXV1DoHjUP8CDpxZKEf8MLz0XPPRPEI8V9NBDX7KhRYv6Qma+9833vXkz40QeTwTisSRfGbt67fr4ROXGzVu3J6tTd1aTsB+7rOOGXhivO3bCPB6wjuDCY+tRzGzf8dia03uar68NWJzwMHguhhHb9O3tgHe5awuirKrXtown6pyhoRn5iqEZs6bgPkt0fJE2MmWUKCZ7HalzZje23VTVtUauRW3+QlvP0mdW+orHLHuoPtIWlFyhn1dTSGJks1a1hhoWoVwGeglqUEYzrB6ACVsQggt98IFBAIKwBzYk9G2ADggRcZuQEhcT4sU6gwwq5O2TipHCJrZH4zZlGyUbUJ7XTAq3S7t49MfkVGAav+InPMFD/Izf8PSvtdKiRt7LkGZn5GWRNfnuXvvnf10+zQJeXrj+2bOALjSKXjn1HhVMfgp35B+8+XDSfrwync7gHn6n/nfxGL/QCYLBD3e/xVY+QoUeQP/zui+DVUPTCbfqtSUsn2Ic7sMDUOm+F2EJlqEJHdr3CH5JkiTLbXko78hvR1JZKj134beQ358BHjesbA==</latexit>(1.4 ± 1.0) ⇥ 103
S2 = ( 6.4 ± 8.4) ⇥ 10 ⇥ exp()
Ewire + (0.36 ± 14.1) ⇥ 102
3<latexit sha1_base64="ICVSsODh4JmGjGgLWHBv6E9lg0g=">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</latexit>

E. Aprilea et al. physics.ins-det(2014)→ S2 threshold 412 kV/cm

S2 [p.e.]

各電場ごとのS1とS2の関係 (両対数)5.4kV(751kV/cm@wire表面)

104

S2 x103 [p.e.]

各電場での241AmのS1とS2の関係
各電場ごとのS1とS2の関係
87610355.0kV

4(696kV/cm@wire表面)

3102
21102103104
S1 [p.e.]〜 Fitting function 〜① pol1
5.5 MeVS2 = ( 350.9 ± 7.7) ⇥ S1 + (4.013 ± 0.089) ⇥ 106<latexit sha1_base64="Zq+8TqjCK1/iMH6PYOf+QbGtstw=">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</latexit>

59.5 keV<latexit sha1_base64="ZqiqkNvZxjSDWxYUbFHtXP0j/Lg=">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</latexit>

S2 = ( 13.0 ± 3.6) ⇥ S1 + (7.4 ± 1.8) ⇥ 103~30 keVS2 = ( 4.72 ± 0.31) ⇥ S1 + (9.46 ± 0.49) ⇥ 102<latexit sha1_base64="vI8jm/v6SrcX8gnGowFJQXyuLso=">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</latexit>

高電場

5.4kV(751kV/cm@wire表面)

低電場
5.0kV(696kV/cm@wire表面)

S1 [p.e.]

・高電場になるほどS2が大きくなりS1は小さくなる

S2/S1の電場依存性
各HVごとのS2/S1〜 Fitting function 〜① pol1
5.5 MeV59.5 keV~30 keV

Fitting function: exp

各電場ごとのS2/S1

241Am@5kV でのS1とS2
5kVでのS1とS2の関係

5kVでのS1とlog(S2/S1)の関係

5kVでのS2とlog(S2/S1)の関係

α: 5.5MeV
α: 5.5MeV
γ: 〜60keV

5kVでのlog(S2/S1)のヒストグラム

α: 5.5MeV

γ: 〜60keV

0.1467+/- 0.0005 , 0.0413 +/- 0.0007
γ: 〜60keV

log(S2/S1)

1.172+/- 0.001 , 0.217 +/- 0.001

137Cs,60Co外部線源@5kV でのS1とS2
137Cs@5kV

60Co@5kV

137Cs
252Cf

60Co

252Cf

137Cs,60Co外部線源@5kV でのS1とS2
137Cs@5kV

60Co@5kV

60Co

137Cs

252Cf

252Cf

S2 [p.e.]S2 [p.e.]

PMT・Cf線源から照射される中性子とγ線の識別は十分ではない→IVC全体で電場が整っているわけではないため

IVC

一個PMT