μ-PICによるダークマターの飛来方向測定
P6DARK班
相澤 俊博
井上 諒

ダークマターとは宇宙マイクロ波背景放射をはじめ、銀河の回転速度や、重力レンズなどが、その存在の証拠として挙げられる。
4%
Baryons &Neutrinos

人工衛星WMAPが撮影した宇宙マイクロ波背景放射
さまざまな観測によって、宇宙の組成のうち、23%がダークマターであることがわかっている。

23%
Dark Matter
73%Dark Energy

宇宙の組成
超対称性理論(SUSY)で予言されるWIMP(Weakly Interacting MassiveParticle)が、ダークマターの有力な候補である。ほかにアクシオン、Qボール、ステラエルニュートリノ等が候補に挙げられる

WIMPを観測する方法
WIMPは、宇宙空間をランダムな方向に運動していると考えられているので、銀河内を運動している太陽系に風の様に吹きつけてくる。

WIMP

原子核

θ

WIMPに反跳された原子核を検出することができる！

では、どのような信号が期待できるのか…

μ-PICで観測できるダークマターのスペクトルを計算

エネルギースペクトルの式
原子核との散乱は、弾性散乱を仮定

エネルギースペクトル=rとおく

速度分布は、ボルツマン分布を仮定

ダークマターの中心速度、反応断面積、質量などを含む定数

反跳エネルギー/WIMPの運動エネルギー実験室系でのWIMPの運動エネルギーの最大値

標的原子核にエネルギーを渡すことのできる最小エネルギー

WIMP/標的原子核の質量R

計数
反応断面積v

WIMPの速度
WIMPの中心速度

A

標的原子核の原子量
アボガドロ数反跳エネルギー [keV]Counts/keV/kg/daysμ-PIC中のガスを組成している元素をターゲットに反跳エネルギー [keV]

Target; C

Target; Ar
Counts/keV/kg/daysCounts/keV/kg/daysCounts/keV/kg/daysTarget; H

反跳エネルギー [keV]

反跳エネルギー [keV]反跳エネルギー [keV]

Target; Ar
Counts/keV/kg/daysTarget; C
Counts/keV/kg/daysCounts/keV/kg/daysTarget; H

反跳エネルギー [keV]

反跳エネルギー [keV]Target; Ar

Counts/keV/kg/days

反跳エネルギー [keV]

Target; C
Counts/keV/kg/daysCounts/keV/kg/daysTarget; H

反跳エネルギー [keV]

反跳エネルギー [keV]Counts/day/kg/keV

Ar : C : H = 45 : 4 : 1

Counts/day/kg/keVH
C
Ar

Counts/day/kg/keV

μ-PIC中のガスの質量比に応じてスペクトルに重みづけここまでのまとめ
質量の小さいWIMPに対しては数keVの陽子を検出することが、WIMPの観測に有利になると考えられる。

今回、μ-PICで陽子の飛跡を検出する実験を行いました。

μ-PICでの測定
測定原理
内部構造

μ-PICの測定原理
荷電粒子電子雲電場

電子雪崩

TPCの構造 13cm
13cm

Drift plane

5mm

10.4cm50MΩ
10.5cm

4mm

GEM
接着2mm
3mm
1cm幅

10.5cm

旧GEM
10cm角50μm厚

新GEM；S/N542

…

10MΩ
10cm

Drift top

10cm角 125μm厚

GEM top
ΔGEM

GEM bottom
Induction Field

5mm
μ-PIC(10cm四方)

15cm
15cm

2cm幅

μ-PIC

ΔGEMのオシロでの動作確認→ちゃんと動くことが確認できた！

スペクトル取得
Gain測定セットアップ
ASD(Anode)μ-PIC

ASD(Cathode)データ収集系
256ch

PLS 740QUAD LINEAR
FAN-IN/OUT
8ch→4chにまとめる

ASD(Cathode)

μ-PIC

256ch

ASD
(Anode)RPV 130-60mV
threshold VETOPLS 705DISCRIMINATORout GATE&DELAY

LOGIC FAN IN/FAN OUT
8chのorをとる

deta
取得

Latch
stop

GENERATOR

PC

Latch
start

GATE&DELAY
GENERATOR
6μsec delay

FlashADCSTOP RPV-160

波形取得説明
4μs baselineを計算+7mV以上ある波形はノイズとみなし除去

DISCRIMINATORのthreshold-60mVarea(digital unit×clock)を計算
電荷を計算

programのthreshold-10mV
3点以上連続した物のみ抽出

6μs delay

除去

FADC
STOP

Drift top;-3217V ,GEM T;-800V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vで測定

Gainの計算
Drift top;-3217V ,GEM T;-800V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vの場合を用いると、全体の増幅率はとなる。
ASDの増幅率を160(既知)とすると、μ-PICとGEMの増幅率はよって、μ-PICとGEMの増幅率の合計は約10万倍である。

total

ΔGEMとtotal gainの関係を測定

以下の3つのGain測定のグラフはこの値を使用

Drift top;-3217V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vで測定total

GEM bottomとtotal gainの関係を測定

Drift top;-3217V ,Anode;460V ,ΔGEM;450v で測定totalAnodeとtotal gainの関係

Anode[V]Drift top;-3217V ,GEM t;750V ,GEM b;300V で測定

その他の線源のスペクトルを取得

バックグラウンド

Drift top;-3217V ,GEM T;-800V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vで測定
サチった波形は除去

2Dイメージング
セットアップ全面照射

セットアップの様子
ASD
Anodeμ-PIC

ASD
CathodeEncodrer Boardセットアップ

μ-PIC

clear

Memory Board
ASD(Cathode)ASD(Anode)

Encorder Board(X-ray mode)
100MHzPC

常時送り続ける(x,y,clock)

Anode
120ｍV
thresholdCathode

信号

パルス

一定時間後

ちゃんと動作していることを確認

視覚的な位置と、座表面上の位置が合っていることを確認

2Dイメージング続き
本実験
散乱角のヒストグラム作成

μ-PICの位置を確認し、X軸、Y軸をとる
ｙ
1cm幅

1.5cm

18cm

μ-PIC面Cathode2cm

18cm

Anodeｘｙnp

μ-PIC面φｘ

この角度を計測

飛跡のfittingと抽出方法同じクロックにあるデータを同じイベントとしてプロット
x
380
148
146
132
107
90
384
：
：

y106
202
372
356
307
272
291
：
：

clock(約2msec単位)5252616161
61
65
：
：
Hit数が3点以上でdの平均が0.12cm以下の物をデータとして抽出

平均距離での抽出前と抽出後を比較

BeforeAfter

直線に近い形のもののみが抽出されていることがわかる

角度を変えて中性子線源

0度を当ててみる

90度-45度(参考)Ar中の陽子の飛程 5cm(1.6MeV) 10cm(2.5MeV) (SRIMによる計算)

角度のスペクトル
大体期待していたものに近いのだが、0°付近のヒストグラムがおかしい。

0度

μ-PICの特性？
arctanで傾きを処理しているので、90度は見えない←改善の余地あり

90度

ガス容器からの距離；５cm-45度

5cm以上の飛跡のみを抽出
飛跡が長い原子核は、中性子源からもらう
0度
エネルギーが大きい、つまり散乱角が小さいはずなので飛跡が長いもののみを抽出してみた。
飛跡の長さによる抽出で明らかに改善されている。
観測したい物質の反跳エネルギーに応じて飛跡の長さで抽出することは有効なようだ。

45度

90度

-45度

結論できたこと μ-PICの基本的な性能評価(大まかなGainの評価、波形取得、スペクトル取得)
 GEMの交換という貴重な体験
 2Dイメージング
 μ-PICによる中性子の飛来方向測定

時間があればやりたかったこと
 中性子線源とガス容器の距離と方向測定精度の関係
 3Dトラッキング 中性子に反跳されたプロトンのエネルギー測定
 0度、90度付近での角度分布の対処

おまけ取り出した旧GEM

去年度の栗本さん、松岡さんの班による
２Dイメージング

去年度の栗本さん、松岡さんの班によるμ-PICの位置の調査

ｙ18cm
カソード側

18cm

約10cm

1cm幅1.5cm

μ-PIC面2cm

ｘ3.153cm
4.52c
m

18cm
Anode18cm
アノード側

件数をかなり多くして計測してみた-45度

飛跡の距離による抽出済み
きれいだけど、時間の関係で他の角度は計測できず…

BINを細かくしてみた
45度

ぴったり45度ですプロトンのエネルギーとアルゴン中の飛跡の長さの関係
IondE/dx
dE/dx
Projected Longitudinal Lateral
EnergyElec.
Nuclear
Range
Straggling Straggling
1.00 MeV 1.491E-01 1.040E-04 24.37 mm 1.24 mm 1.66 mm
1.10 MeV 1.413E-01 9.592E-05 28.21 mm 1.41 mm 1.89 mm
1.20 MeV 1.336E-01 8.911E-05 32.26 mm 1.58 mm 2.13 mm
1.30 MeV 1.270E-01 8.326E-05 36.54 mm 1.76 mm 2.38 mm
1.40 MeV 1.213E-01 7.818E-05 41.02 mm 1.93 mm 2.64 mm
1.50 MeV 1.161E-01 7.372E-05 45.72 mm 2.11 mm 2.90 mm
1.60 MeV 1.114E-01 6.977E-05 50.62 mm 2.29 mm 3.18 mm
1.70 MeV 1.071E-01 6.624E-05 55.72 mm 2.47 mm 3.47 mm
1.80 MeV 1.032E-01 6.308E-05 61.02 mm 2.66 mm 3.77 mm
2.00 MeV 9.631E-02 5.763E-05 72.21 mm 3.23 mm 4.39 mm
2.25 MeV 8.904E-02 5.208E-05 87.27 mm 4.04 mm 5.22 mm
2.50 MeV 8.294E-02 4.756E-05 103.49 mm 4.82 mm 6.11 mm
2.75 MeV 7.772E-02 4.380E-05 120.87 mm 5.60 mm 7.04 mm
3.00 MeV 7.320E-02 4.062E-05 139.36 mm 6.37 mm 8.03 mm

平均距離0.2mm以下のみ抽出したヒストグラム

飛跡の距離による抽出が有効であることがわかる。

おわり

予備スライドエネルギースペクトルの式
原子核との散乱は、弾性散乱を仮定

エネルギースペクトル=rとおく
速度分布は、ボルツマン分布を仮定

R

係数率

検出器とWIMPの相対速度

反跳エネルギー/WIMPの運動エネルギー

WIMP/標的原子核の質量実験室系でのWIMPの運動エネルギーの最大値

k

反応断面積

標的原子核にエネルギーを渡すことのできる
最小エネルギー

Av

WIMPの速度

WIMPの中心速度

規格化定数

標的原子核の原子量
アボガドロ数FADCの電圧較正
mV

chch0の測定結果

それぞれの線源のスペクトルを取得

バックグラウンド

Drift top;-3217V ,GEM T;-760V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vで測定キャリブレーション

Drift top;-3217V ,GEM T;-760V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vで測定

Gainの計算
Drift top;-3217V ,GEM T;-760V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vの場合を用いると、全体の増幅率はとなる。
ASDの増幅率を160(既知)とすると、μ-PICとGEMの増幅率はよって、μ-PICとGEMの増幅率の合計は約20000倍である。

キャリブレーション

Drift top;-3217V ,GEM T;-800V ,GEM B ;-300V ,Anode ;460Vで測定