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PINフォトダイオードによるFe-57を用いたアクシオン探索

課題研究P6 穴澤・吉村

2アクシオン• 暗黒物質(ダークマター)の候補粒子の１つ
太陽アクシオンの予想スペクトル

γ+
Fe-57

太陽Fe-57のM1遷移経由でアクシオンを放出
アクシオン

Fe-57

SOIPIX7[S.Moriyama, 1995, Phys.Rev.Lett. 75, 18]γ

アクシオン-原子核の相互作用のみに依存
実験室にあるFe-57で吸収/脱励起により14.4keVのガンマ線を放出3

先行研究（ Fe-57+PINフォトダイオード）• Fe-57箔の測定データから，通常Fe箔の測定データを差し引いたもの

PINフォト╳2 [106 s]…mA < 216eV[T.Namba, 2007, Phys.Lett.B, 645,398]

PINフォト [104 s]…mA < 428.3eV[島田・乃一, 神戸大学2018年度卒業研究, 32]

4

実験セットアップ
プリアンプ

シェーピングアンプ

Ch1
恒温槽

Ch0鉛・銅シールド

Si PINFe箔

CP 5005H
GROWTH

HV

バイアス電源
672
571
ORTEC

CP E6625

PC

5PINフォトダイオード・Fe箔
• PINフォトダイオード：S3204-09• 通常Fe箔：30mm ╳30mm ╳0.02um
２枚重ねC1020(無酸素銅)PEEKSi PINFe箔

4.2mm

26.5mm

銅・鉛シールド・恒温槽• C1020(無酸素銅)による厚さ5mmのシールド• 純鉛による厚さ50mmのシールド• 恒温槽(MC-812)：-60℃

62mm

128mm

650mm

162mm

7

プリアンプ・シェーピングアンプ• プリアンプ：5005H（4chで増幅可能）• シェーピングアンプ：571（上側のPD）：672（下側のPD）
上側PD

シェイパー①
ORTEC 571

シェイパー②
ORTEC 672

下側PD
プリアンプ
CP 5005H

ミニビン電源CP E6660• Am-241による59.54keVのγ線に対して約540mVを示した

HV
CP E6625

8GROWTH-DAQボード• 雷雲ガンマ線検出のために京都大学榎戸先生によって開発されたFPGAを備え、4ch同時に高速ADCを処理できるボード• 50MHzでの波形取得が可能⇒20nsごとにイベントを計測できる• イベントごとにchannel情報、phaMax(最大波高値)などのデータが保存される

9エネルギー較正• GROWTH Ch0, 1のエネルギー較正
• Am-241(17.7keVのX線, 59.5keVのγ線) , Cd-109(22.1keVのX線)を測定⇨得られたスペクトルをガウシアンでFitした
C1020(無酸素銅)

PEEK

線源

Si PINGROWTH Ch1へ

GROWTH Ch0へ

エネルギー較正Am-241 (real time 500s)

Cd-109 (real time 500s)

CountsCounts

上側PD(Ch1)

Channel[ch]Channel[ch]Counts

下側PD(Ch0)Counts

10

Channel[ch]Channel[ch]エネルギー較正

0.25

0.033

0.033

22.1keV (Cd-109)

CountsCountsσ/E=0.22

59.5keV (Am-241)

Counts

下側PD(Ch0)Counts

上側PD(Ch1)Counts

17.7keV (Am-241)

Counts

11

0.10

0.12

12

エネルギー較正
上側PD(Ch1)

下側PD(Ch0)[ch]=3.52╳[keV] + 2061.69[ch]=3.51╳[keV] + 2051.69

13

通常Fe箔測定• 測定時間(real time)：252,000s• 測定環境：-60℃
上側PD(Ch1)

下側PD(Ch0)14

解析（ホワイトノイズ除去）
上側PD(Ch1)

下側PD(Ch0)

𝟏𝟒. 𝟒 ± 𝟐𝝈 𝐤𝐞𝐕 𝐒𝐢𝐠𝐧𝐚𝐥 𝐫𝐞𝐠𝐢𝐨𝐧 におけるBG events
Events[counts/day]White noise

BG events[counts/day]

上側PD(Ch1)

3.97e+3195

3.77e+3

下側PD(Ch0)1.04e+4

6.82e+3

3.58e+315

解析（BG rateの比較）
114.4+2𝜎• BG rate[counts/day]: 𝑅𝐵𝐺 = ‫׬‬14.4−2𝜎 𝑒𝑣𝑒𝑛𝑡𝑠 ∙ 𝑑𝐸
𝜀±2𝜎:Signal region(Am241の59.54keV)

ε:検出効率 0.13/2 (L=4.2mm)
ISAI実験XRPIX(2枚)のシミュレーションを使う
1× 3.77 × 103 = 5.80 × 104
0.065
1
下側PD：𝑅𝐵𝐺下 =× 3.58 × 103 = 5.51 × 104
0.065• 本実験： 𝑅𝐵𝐺 = 𝑅𝐵𝐺上 + 𝑅𝐵𝐺下 = 𝟏. 𝟏𝟑 × 𝟏𝟎𝟓
1• 先行研究(難波さん)： 𝑅𝐵𝐺 =× 7.76 × 10 = 𝟓. 𝟏𝟖 × 𝟏𝟎𝟐0.148

上側PD：𝑅𝐵𝐺上 =⇒先行研究に対しBG rateが約200倍

16アクシオンの質量• アクシオンの事象数𝑁γ𝑁γ = 57𝐹𝑒箔測定値 − 通常𝐹𝑒箔測定値• アクシオンの地上での励起レート𝑅𝑎𝑁γ𝑅𝑎 =𝑀57 ∙ γ𝐸 ∙ 𝜖• 𝑅𝑎 と崩壊定数𝑓𝑎 の関係
𝑅𝑎 = 3.0 × 102 day −1 kg −1• アクシオンの質量𝑚𝑎106 GeV𝑓𝑎𝑧 1.3 × 107
𝑚𝑎 = 1eV
1 + 𝑧 𝑓𝑎 ΤGeV

𝑁γ の上限値(95%CL)の制限をかけることでアクシオン質量の上限を見積もることができる

4𝐶 4 𝑁γ：アクシオンの事象数
𝑀57 ：Fe-57の質量
γ𝐸 ：Fe-57からの14.4keVγ線放出割合
𝜖：14.4keVγ線検出効率
𝐶 ：核構造のパラメータ𝑧：アップクォークとダウンクォークの質量比

17

課題・改善点(先行研究と比較)• 放射線BG rateが約200倍
・各binのevents[counts/day]が10×2倍・Signal region ±2σ(~4.0keVと2.0keV)が2倍⇒10×2×2=40倍
・鉛の遮蔽率（10cmと5cm）• 検出効率 (~13%と14%)・モンテカルロを振っていないので正確でない
・PDの受光面積 (18×18mmと25×25mm)
・PDと鉄箔の距離(4.2mmと2mm)• エネルギー較正・分解能
・前段回路を用いると向上？
• Fe-57箔を導入できなかった• 定量的な解析への見通しが甘かった[T.Namba, 2007, Phys.Lett.B, 645,399]

18

19

エネルギー分解能(島田さんのものに準ずると)
𝜎 𝑎 𝑏= + でfit
𝐸 𝐸𝐸

上側PD(Ch1)a=2.49b=-0.00920

17.1% @ 14.4keV

下側PD(Ch0)a=2.87b=-0.0149

19.5% @ 14.4keV

20

先行研究神戸大

21

鉛の遮蔽率

ICRP Pub.21, 体外線源からの電離放射線に対する防護のためのデータ(1971).