アナイス-112

ANAIS-112実験

法的地位	2017年3月8日からデータを取得
目的	DAMA/LIBRAが報告した正の年間変調信号のテスト
本部	カンフランク地下研究所、スペイン
フィールド	暗黒物質探索、宇宙素粒子物理学
Webサイト	https://gifna.unizar.es/anais/

ANAIS ( NaIシンチレーターによる年間変調) は、スペインのカンフランク地下研究所(LSC)にある暗黒物質直接検出実験で、サラゴサ大学の CAPA の研究者チームによって運営されています。

ANAIS の目標は、DAMA/LIBRA ^{[1] [2] [3]実験の肯定的な結果、すなわち、標準的な銀河}ハロー内の弱く相互作用する暗黒物質粒子 ( WIMP )によって誘発される信号に予想されるすべての特徴を備えた低エネルギー検出率の年間変調を、モデルに依存しない方法で確認または反証することです。この変調は、地球が太陽の周りを回転する結果として生成されます。暗黒物質(DM) 信号のすべての特徴を備えた変調は、DAMA/LIBRA によって約 20 年間観測されていますが、他の DM 直接検出実験の否定的な結果と強い緊張関係にあります。^{[4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11 ] [ 12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]}従来のWIMP-DMシナリオのほとんどにおける異なる実験結果間の互換性は実際には好ましくありませんが、^{[20] [21]それは考慮されるDM粒子とハローモデルに大きく依存します。同じターゲット物質である}NaI (Tl)を使用した比較はより直接的で、モデルにほとんど依存しません。

出典: ^[22]

ANAIS-112 実験装置は、Alpha Spectra Inc. が製造した 9 つの円筒形モジュール (各モジュールは 12.5 kg) に分散された 112.5 kg のNaI (Tl) で構成され、3 × 3 構成で配置されています。

ANAIS-112モジュールの最も重要な機能の中でも、その優れた光学品質は特筆に値します。高量子効率の浜松ホトカルフォトマルチプライヤ（PMT）と組み合わせることで、 9つのモジュールすべてで1keVあたり15光電子（phe）のレベルで非常に高い光収集が実現します。 ^{[23]各モジュールに結合された2つのPMTからの信号は、高解像度（14}ビット）で1.2μsウィンドウで2GS/sでデジタル化されます。トリガーには、200nsウィンドウで2つのPMTトリガー信号が一致することが必要ですが、PMTの個別トリガーは単一のpheレベルで設定されます。

もう一つの興味深い特徴は、検出器の側面の中央にあるマイラー窓です。これにより、ラドンのない環境で10 keVまでの外部X 線/​​ガンマ線源を使用して 9 つのモジュールを同時に較正できます。外部較正とバックグラウンドからの情報を組み合わせて、1 ～ 6 keV の関心領域 (ROI) の慎重な低エネルギー較正が実行されます。109 Cd 線源を使用した外部較正は²週間ごとに実行され、1.5 か月ごとに、 1 つの ANAIS モジュールの⁴⁰ K および²² Na 内部汚染からの3.2 keV および 0.87 keVでのエネルギー付与が、2 番目のモジュールの高エネルギーガンマ線との一致を利用して選択されます。

ANAIS-112実験は、内層が10cmの考古学的鉛、外層が20cmの低放射性鉛で構成された遮蔽物の中に設置されています。この鉛遮蔽物はラドン防止箱に入れられ、密閉され、ラドンを含まない窒素ガスで加圧状態に保たれています。遮蔽物の外層（中性子遮蔽物）は、水タンクとポリエチレンレンガを組み合わせた40cmで構成されています。16個のプラスチックシンチレータで構成されたアクティブベイトがラドン防止箱と中性子遮蔽物の間に配置され、セットアップの上部と側面を覆い、ANAIS-112データ取得中に残留ミューオンフラックスを現場で効果的にタグ付けできるようにしています。ANAIS-112は2017年春に稼働を開始し、2017年8月3日にLSCのホールBで2450mweの岩盤被覆下でデータ取得フェーズを開始しました。分析に有用な実験の「ライブ時間」は 95% 以上であり、高いデューティ サイクルを実現できます。ダウンタイムは主にモジュールの定期的なキャリブレーションによるものです。

バックグラウンドモデルが測定されたイベント率を過小評価する [1-2] keV エネルギー領域を除いて、バックグラウンドの理解は達成されている。^[24]結晶バルク汚染が支配的なバックグラウンド源であり、関心領域では²¹⁰ Pb、⁴⁰ K、²² Na、³ H の寄与が最も関連している。9 つの ANAIS-112 モジュール全体を考慮すると、3 年間のデータ収集後の ROI の平均バックグラウンドは 3.6 cpd/kg/keV である。^[25]一方、DAMA/LIBRAphase2 のバックグラウンドは、[1–2] keV エネルギー区間では 0.80 cpd/kg/keV 未満、[2–3] keV エネルギー区間では 0.24 cpd/kg/keV 未満、[3–4] keV エネルギー区間では 0.12 cpd/kg/keV 未満である。^[3]

ROI のトリガー率は非バルクシンチレーションイベントによって支配されているため、2 つの PMT 間のパルス形状と光共有に基づくフィルタリングプロトコルの開発は、ANAIS-112 の目標を達成するために不可欠でした。対応する効率の決定は非常に重要であり、 ¹⁰⁹ Cd、⁴⁰ K、および²² Na イベントを使用して計算されます。2 keV まで 100% に非常に近いですが、分析しきい値が設定されている 1 keV で約 15% まで急激に減少します。^[22]

ANAIS-112データの年間変調解析にはブラインドプロトコルが適用され、ROI内のシングルヒットイベントはイベント選択中はブラインド状態に保たれます。現在までに、データのブラインド解除が3回実行されています。1.5年後^[26] 、 2年後^[27]、3年後^[25]で、それぞれ157.55、220.69、313.95 kg×yの露出に相当します。ANAIS-112の年間変調探索は、DAMA/LIBRAコラボレーションで探索されたのと同じ領域、[1–6] keVおよび[2–6] keVで実行され、期間は1年間、変調の最大は6月2日に固定されています。

ANAIS-112 データにおける可能性のある変調の統計的有意性を評価するために、9 つの検出器のイベント レートが 10 日間のビンで計算され、χ ² = Σ _i (n _i − μ _i ) ² /σ ² _iで最小化されます。ここで、n _{i は時間ビン t i}内のイベント数(ライブ時間と検出器効率によって補正済み)、σ _{i は}それに応じて補正された対応するポアソン不確実性、μ _{i は}その時間ビンでの予想されるイベント数で、バックグラウンド モデルに依存し、次のように記述できます。μ _i = [R ₀ φ _bkg (t _i ) + S _m cos(ω(t _i − t ₀ ))]M∆E∆t。

ここで、R _{0 は}実験における非変調率、は非変調成分の時間における確率分布関数(PDF)、S _mは変調振幅、ω は 2π/365 d = 0.01721 rad d ⁻¹、t ₀～ −62.2 d に固定され (時間原点は 8 月 3 日に取られ、コサイン最大値は 6 月 2 日)、M は検出器の総質量、∆E はエネルギー間隔幅、∆t は時間ビン幅です。R ₀は自由パラメータですが、S _{m は}0 に固定されるか (帰無仮説の場合)、制約されずに正または負のままになります (変調仮説の場合)。 ${\displaystyle \phi_{bkg}}$

帰無仮説は、両方のエネルギー領域で3年間のデータについて十分に支持されており、2つのバックグラウンドモデル（単一の指数関数またはモンテカルロバックグラウンドモデルに基づくPDF）の結果は互換性があります。 事前感度分析に従って予想されるように、検出器を個別に考慮すると、標準偏差σ（S _{m ）はわずかに低くなります。} ^[28]したがって、この適合は、ANAIS-112の年間変調最終結果と3年間の露出に対する感度を引用するために選択されています。 最適な適合は、[1-6]および[2-6] keVエネルギー領域で3.3および2.6 σのDAMA/LIBRA結果と互換性がなく、[1–6] keV（[2–6] keV）で2.5（2.7）σの感度です。 1.5、^[26] 、 2 ^[27]、および3年間^[25]のデータ収集に関するANAIS-112の結果は、感度予測を完全に確認しています。

ANAIS-112 の結果は、予定されている 5 年間のデータ取得期間内の 2022 年に 3σ を超える感度に到達する見通しを裏付けています。

いくつかの一貫性チェック（フィッティングに入力する検出器の数の変更、最初の 2 年間または最後の 2 年間のみの考慮、または時間ビンのサイズの変更）が実行され、結果に関連する体系的な不確実性を裏付けるヒントはないと結論付けられました。背景モデルからサンプリングされた大規模なモンテカルロ疑似実験セットの実行により、フィッティングに偏りがないことが保証されています。周波数分析も実行され、ANAIS-112 データで検索された周波数範囲に統計的に有意な変調はないという結論が出ました。^[25]

ANAIS-112の感度制限は主にROI内の高いバックグラウンドによるものですが、特に1～2keVの領域で顕著です。この文脈では、現在開発中のブースト決定木（BDT）に基づく機械学習技術の適用により、これらの非バルクシンチレーションイベントの排除が改善される可能性があります。予備的な結果は、関連する感度の向上を示しています。^[31]データ取得をさらに数年延長すると、DAMA / LIBRAを5σレベルでテストできるようになります。カンフランク地下研究所での運用は2025年末まで許可されています。

DAMA/LIBRAとANAISの結果の比較に影響を与える可能性のある1つの系統的要因は、両方の実験がX線/ガンマ線を使用して較正されているため、原子核反跳に対する検出器の応答が異なる可能性があることです。電子によって蓄積された同じエネルギーと比較して、原子核反跳によって蓄積されたエネルギーに対してシンチレーションが強く消光されることはよく知られています。NaIシンチレータの消光係数（QF）の測定値は大きな不一致の影響を受けます。ANAIS-112検出器のQFは、TUNLでの測定後に決定されています。^[32]さらに、オンサイトの中性子源を使用した実験用の完全な較正プログラムが開発されています。

ANAIS-112 の公開結果は、ダークマターデータセンターのウェブページでオープンアクセスで入手できます: https://www.origins-cluster.de/odsl/dark-matter-data-center/available-datasets/anais

データはリクエストに応じて提供されます。

ANAIS 実験の運用は現在、MICIU/AEI/10.13039/501100011033 (助成金番号 PID2022-138357NB-C21 および PID2019-104374GB-I00)、Unión Europea NextGenerationEU/PRTR (AstroHEP)、およびアラゴン政府によって財政的に支援されています。助成金 FPA2017-83133-P、助成金 MULTIDARK CSD2009-00064 および CPAN CSD2007-00042 に基づく Consolider-Ingenio 2010 プログラム、アラゴン政府、および LSC コンソーシアムからの資金提供により、検出器の設置が可能になりました。 LSC と GIFNA スタッフ、およびサラゴサ大学調査研究機関 (SAI) からの技術サポートに心より感謝いたします。

• ANAIS実験ウェブサイト
• カンフランク地下研究所ウェブサイト
• DAMAプロジェクトのウェブサイト
• ダークマターデータセンター