様式８

令和 4 年度（2022） 共同利用研究・研究成果報告書
研究課題名 和文：液体キセノンを用いた暗黒物質探索
英文：A Search for Dark Matter using Liquid Xenon Detector
研究代表者

東京大学宇宙線研究所 森山茂栄

参加研究者

東京大学宇宙線研究所 中畑雅行、関谷洋之、竹田敦、安部航、平出克樹、加藤伸行・IPMU Kai Martens、山下雅樹・東京大学 鈴木洋一郎・名古屋大学 伊藤好孝、神戸大学 竹内康雄、身内賢太朗・横浜国立大学 中村正吾、出石汐里・宮城
教育大学 福田善之・東海大学 西嶋恭司・徳島大学 伏見賢一・CUP IBS Yeongduk
Kim, NamYoung Kim・CAP IBS Yang Byeongsu・KRISS and CUP YongHamb Kim・
KRISS Min Kyu Lee, Kyong Beom Lee・日本大学

小川洋・Tshinguha University

Benda Xu, Yuyi Wang, Yiyang Wu, Xuewei Liu・東北大学 岸本康宏、市村晃一・早稲
田大学 小林兼好

1720304050

研究成果概要0.03

6080

Complete Dataset
Modulation Amplitude

0.02

本年度は、XMASS-IExpectedの全データをも± 2σ0.01

DAMA/LIBRA (2021)とにした暗黒物質探索の最終結果を0まとめて出版することに注力し、雑Expected ± 1σ

-0.01

-0.02

0.4

XMASS-I
0.2 で得られた全データ

l-0.03-0.04
010.8
誌に投稿することができた。
0.6
0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20の解析を行い、暗黒物質由来のEnergy[keVee]2468101214161820

Energy [keVee]
季節変動（原子核反跳のみならFIG. 23. Modulation
amplitude as a function of energy forず、制動輻射効果やミグダル効
the model-independent analysis using the pull method (blackcross). Solid lines represent
the 90% positive (negative) upper
果を取り入れた結果）を探索す
limits on the amplitude. The ±1 and ±2 bands represent
る解析と、有効体積中のバック
the expected amplitude
fluctuation ranges for a null result (fordetails, see text). The small figure at bottom right shows theグラウンドからの超過を探索すsignal efficiency usedin the model-independent analysis, theoverall efficiency for a uniformly distributed electron signal afる解析をおこなってきた。結果
ter applying all selectioncriteria. The latest DAMA/LIBRA
result (square) is shown for reference [56].

としては、有意な季節変動は見

Spin-independent WIMP-nucleon cross section [cm2]

2 5 10Efficiency

Amplitude [day/kg/keVee]

Energy [keVnr]
0.04

10-28
10-29
10-30
10-31
10-32
10-33
10-34
10-35
10-36
10-37
10-38
10-39
10-40
10-41
10-42
10-43
10-44
10-45

Fiducial volume
Fiducla volume(2018)
Modulation NR
Modulation NR (2018)
Modulation Brems
Modulation Brems (2018)
Modulation Migdal

110102
103
104
WIMP Mass [GeV/c2]

られず、かつ有効体積中の期待
tive or negative amplitudes
by integrating Gaussian distributions based on the mean and sigma of the data
されるバックグラウンドからの FIG. 24. Limits obtained from the various analyses presented(=G(a)) from zero. The positive
R a or negative
R 1upper limin this paper. Solid lines are the new results, using the fullits were derived with
0.9 for 0 up G(a)da/ 0 G(a)daor超過も見られなかった。
それに基づいて、
XMASS-I から得られる最終の探索結果を
R0
R0
XMASS-I data sets, presented in this paper, in particular theG(a)da/G(a)da,
whereaandaaretheamupaup1
fiducial volume analysis, the muliti-GeV modulation analysis
得た。右図がその複数の解析結果で得られた暗黒物質への制限である。
plitude and its 90%
CL upper limit, respectively. This
via NR and the sub-GeV modulation analysis via Migdal effect and bremsstrahlung. Dotted lines show our earlier results
method obtained
a positive(negative)
upper limit of
これはXMASSのデータの集大成としての意義がある。
published in [16–18]
0.62 ( 2.1)⇥10 2 events/day/kg/keVee between 1.0 and.
1.5 keVee withthe limitsB08
becoming stricter at higher
整理番号energy. The energy resolution ( /E) at 1.0(5.0) keVeewas estimated to be 36% (19%), comparing our gamma
ray calibration data to our MC simulation. A modUpdated searches for an annual modulation signatureulation amplitude of ⇠ 2 ⇥ 10 2 events/day/kg/keVee
expected for true galactic DM halo particle interactions
was obtained by DAMA/LIBRA between 1.0 and 3.5
in terrestrial detectors, now also extended to the fullkeVee [56].
XMASS-I data set and using XMASS-I’s full active target mass of 832 kg, improved on our own old limits forNR by a factor of 1.3 to reach 2.3 ⇥ 10 42 cm2 for aVII. CONCLUSIONS
8 GeV/c2 WIMP. Also updated was our bremsstrahlung
result, which for a 0.5 GeV/c2 WIMP now reached across section limit of 1.1 ⇥ 10 33 cm2 , an improvement
XMASS-I was a unique single-phase LXe detector,