ディープ

DEAP (アルゴンパルス形状弁別を用いた暗黒物質実験) は、液体アルゴンをターゲット物質として使用する直接的な暗黒物質探索実験です。DEAP は、アルゴンの特徴的なシンチレーションパルス形状に基づくバックグラウンド弁別を利用します。7 kg のターゲット質量を持つ第 1 世代の検出器 ( DEAP-1 ) は、液体アルゴンの低反跳エネルギーでのパルス形状弁別の性能をテストするためにクイーンズ大学で運用されました。その後、DEAP-1 は2007 年 10 月に地表から 2 km 下の SNOLABに移動され、2011 年までデータを収集しました。

DEAP-3600は、 100 GeV/c ²の暗黒物質粒子質量に対して10 ⁻⁴⁶ cm ^{2という低い}WIMP-核子散乱断面積に対する感度を達成するために、3600 kgの活性液体アルゴン質量で設計されました。DEAP -3600検出器は2016年に建設が完了し、データ収集を開始しました。検出器の事故により、2016年にデータ収集が短期間中断されました。2019年現在、実験はデータを収集しています。

暗黒物質に対する感度をさらに高めるために、DEAP、DarkSide、CLEAN、ArDM実験の科学者らによるグローバルアルゴン暗黒物質コラボレーション^[1]が結成されました。20トンを超える液体アルゴン質量の検出器（ DarkSide-20k ）がグランサッソ国立研究所で運用される予定です。^{[2]ニュートリノフロアに到達するように設計された数百トンの液体アルゴンターゲット質量を持つ次世代検出器（} ARGO ）に向けた研究開発が進められており、 SNOLABの極めて低い背景放射線環境のために そこで運用される予定です。

液体アルゴンはシンチレーション物質であるため、相互作用する粒子は入射粒子から放出されるエネルギーに比例して光を生成します。これは、消光が主な要因となる前の低エネルギーでは線形効果です。粒子とアルゴンの相互作用により、相互作用の経路に沿ってイオン化と反跳が起こります。反跳するアルゴン原子核は再結合または自己トラッピングを起こし、最終的に 128nm の真空紫外線 (VUV) 光子を放出します。さらに、液体アルゴンは自身のシンチレーション光に対して透明であるという独自の特性があり、これにより、放出されるエネルギー 1 MeV ごとに数万の光子が生成されます。

WIMP 暗黒物質粒子とアルゴン原子核の弾性散乱により、原子核の反跳が引き起こされると予想されます。これは非常に低いエネルギー相互作用 (keV) であると予想され、感度を上げるには低い検出しきい値が必要です。必然的に低い検出しきい値のため、検出されるバックグラウンド イベントの数は非常に多くなります。WIMP などの暗黒物質粒子のかすかな特徴は、さまざまなタイプのバックグラウンド イベントの可能性によって隠されてしまいます。これらの非暗黒物質イベントを識別する技術は、パルス形状識別 (PSD) です。これは、液体アルゴンからのシンチレーション光のタイミング特徴に基づいてイベントを特徴付けます。

PSDは、電子、高エネルギー光子、アルファ線、中性子などの異なる入射粒子による相互作用によって、反跳アルゴン原子核の励起状態の割合が異なるため、液体アルゴン検出器で可能です。これらは一重項および三重項状態として知られ、それぞれ6 nsと1300 nsの特性寿命で崩壊します。^[3]ガンマ線と電子からの相互作用は、電子反跳によって主に三重項励起状態を生成し、中性子とアルファ線の相互作用は、原子核反跳によって主に一重項励起状態を生成します。WIMP-核子相互作用も、暗黒物質粒子とアルゴン原子核の弾性散乱により、原子核反跳型信号を生成すると予想されます。

イベントの光の到着時間分布を使用することで、その発生源を特定することができます。これは、光検出器によって「即時」ウィンドウ (<60 ns) で測定された光と「遅延」ウィンドウ (<10,000 ns) で測定された光の比率を測定することによって定量的に行われます。DEAP では、このパラメータは Fprompt と呼ばれます。核反跳タイプのイベントは Fprompt 値が高く (~0.7)、電子反跳イベントは Fprompt 値が低く (~0.3) なります。WIMP のような (核反跳) イベントとバックグラウンドのような (電子反跳) イベントの Fprompt がこのように分離されているため、検出器内のバックグラウンドの最も支配的な発生源を一意に特定することができます。^[4]

DEAP で最も豊富なバックグラウンドは、大気中のアルゴンで約 1 Bq/kg の活性を持つアルゴン 39のベータ崩壊によるものです。 ^[5]液体大気中のアルゴンでの暗黒物質探索のためにこれらのバックグラウンドを十分に抑制するには、対象エネルギー領域 (電子エネルギー 20 keV 付近) でのベータおよびガンマ バックグラウンド イベントと核反 跳の識別が 10 ⁸分の 1 よりも優れている必要があります。

DEAP プロジェクトの最初の段階である DEAP-1 は、液体アルゴンのいくつかの特性を特徴付け、パルス形状の識別を実証し、エンジニアリングを改良するために設計されました。この検出器は、暗黒物質の探索を行うには小さすぎました。DEAP-1 は、WIMP 相互作用のターゲットとして 7 kg の液体アルゴンを使用しました。2 つの光電子増倍管(PMT) を使用して、液体アルゴンと相互作用する粒子によって生成されるシンチレーション光を検出しました。生成されるシンチレーション光は波長が短い (128 nm) ため、波長シフト フィルムを使用して紫外線シンチレーション光を吸収し、可視スペクトル (440 nm) で再放射することで、光が通常の窓を損失なく通過し、最終的に PMT によって検出されるようにしました。

DEAP-1は地表でバックグラウンドのパルス形状を良好に識別できることを実証し、SNOLABで運用を開始しました。地下深くに設置することで、不要な宇宙線背景放射イベントが減少しました。DEAP-1は2007年から2011年まで稼働し、実験装置の2回の変更も行われました。DEAP-1はバックグラウンドイベントの特性を明らかにし、DEAP-3600に必要な設計改善を決定しました。^[6]

DEAP-3600検出器は、3600 kgの液体アルゴンを使用するように設計されており、1000 kgの基準容積があり、残りの容積は自己遮蔽および背景ベートとして使用されます。これは、直径約2 mの球形アクリル容器に収められており、この種のものとしては初めてです。^[7]アクリル容器は、アルゴンシンチレーション光を検出するために、255本の高量子効率光電子増倍管（PMT）に囲まれています。アクリル容器は、超純水で満たされた直径7.8 mのシールドタンクに沈められたステンレス鋼のシェルに収納されています。鋼鉄シェルの外側には、主にミューオンである入射宇宙粒子によって生成されるチェレンコフ放射を検出するためのベートPMTが48本追加されています。

DEAP検出器に使用される材料は、バックグラウンドイベントの汚染を減らすために厳格な放射性純度基準に準拠する必要がありました。使用されるすべての材料は、存在する放射線のレベルを決定するために分析され、検出器の内部コンポーネントには、崩壊娘核種からアルファ線を放出するラドンの放出に対する厳しい要件がありました。内部容器は、表面に真空蒸着された波長シフト材料TPBでコーティングされています。 ^[8] TPBは、再放出が速く、光収量が高いため、液体アルゴンおよび液体キセノンの実験でよく使用される波長シフト材料であり、ほとんどのPMTの感度領域である425nmでピークに達する発光スペクトルを持っています。

DEAPのスピン非依存WIMP核断面積に関する予測感度は、3年間の実データ取得後、100 GeV/c ^{2で10 −46} cm ^{2となる。 [6]}

協力機関は次のとおりです。

• アルバータ大学
• アストロセント
• カリフォルニア大学リバーサイド校
• カナダ原子力研究所
• カールトン大学
• シーマット
• 歩兵連隊
• クルチャトフ研究所
• ローレンシャン大学
• ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ
• メキシコ国立自治大学
• プリンストン大学
• クイーンズ大学
• ロンドン大学ロイヤル・ホロウェイ校
• ラザフォード・アップルトン研究所
• スノラボ
• サセックス大学
• ミュンヘン工科大学
• 勝利

この共同研究は、もう1つの弱い相互作用をする粒子である ニュートリノを研究したサドベリーニュートリノ観測所（SNO）プロジェクトで多くのメンバーや研究機関が得た経験から大きな恩恵を受けています。

建設が完了した後、DEAP-3600検出器は、検出器内に窒素ガスをパージして、2015年2月に試運転および校正データの取得を開始しました。^[9] 検出器の充填が完了し、暗黒物質探索のためのデータ収集が2016年8月5日に開始されました。^[10] 検出器への液体アルゴンの最初の充填から間もなく、2016年8月17日にブチルOリングシールが故障し、アルゴンが100 ppmのN2で汚染されました。 [7] その後、検出器は排気され、再充填されましたが、今回はシール故障の再発を避けるために3300 kgのレベルまで充填されました。この2回目の_充填^は2016年11月に完了しました。最初の充填から4.44日間の露出による最初の暗黒物質探索の結果は2017年8月に発表され、100 GeV/c ^{2 WIMP質量に対して断面積の限界が1.2×10 −44} cm ²であることが示されました。^[10]

2016年から2017年にかけての2回目の充填から231日間にわたって収集されたデータの分析により、2019年2月に暗黒物質に対する感度の向上が達成され、100 GeV/c ^{2 WIMP質量に対して断面積の限界が3.9×10 −45} cm ²と示されました。^[11] この更新された分析は、ベータおよびガンマ背景に対するパルス形状識別技術について、液体アルゴンの閾値でこれまでに達成された最高の性能を実証しました。この共同研究チームはまた、シンチレーションイベント後の空間および時間における光の観測分布を使用して、まれな核反跳背景を排除する新しい技術も開発しました。

^{2022年1月、この実験は、質量が8.3×10 6} GeV/c ²から1.2×10 ¹⁹ GeV/c ²、断面積が1×10 ^-23 cm ²から2.4×10 ^-18 cm ²のプランクスケールの質量を持つ暗黒物質に対する制約を設定する結果を発表しました。これは、この超重質量スケールの暗黒物質に関する最初の結果でした。^[12]

DEAP-3600実験は現在（2024年6月現在）アップグレード中であり、チームは暗黒物質に対する感度をさらに高めて今後2年間運用する予定です。^[13]

• DEAP-3600 ウェブサイト
• DEAP-1 プロジェクト Web サイト 2009-04-02 にWayback Machineでアーカイブされました
• SNOLABウェブサイト
• SNO実験