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EDELWEISS ( E xpérience pour DE tecter L es W IMPs E n S ite S outerrain) は、フランスのモダーン地下研究所で行われている暗黒物質探索実験です。この実験では極低温検出器を使用して、ゲルマニウム結晶内の粒子相互作用によって生成されるフォノン信号とイオン化信号の両方を測定します。この技術により、原子核反跳イベントと電子反跳イベントを区別できます。
EURECAプロジェクトは、 EDELWEISS とCRESST暗黒物質探索の研究者が参加する、将来提案される暗黒物質実験です。
暗黒物質
暗黒物質は光を放射も吸収もしない物質です。渦巻銀河の回転曲線の測定から、暗黒物質が銀河の質量の大部分を占めていることが示唆されています。また、宇宙マイクロ波背景放射の精密測定から、暗黒物質が宇宙の密度のかなりの部分を占めていることが示唆されています。
暗黒物質の考えられる説明は、素粒子物理学から来ています。WIMP (弱く相互作用する巨大粒子)は、弱い核力と重力によってのみ相互作用する仮想粒子の総称です。この理論は、私たちの銀河がそのような粒子の暗いハローに囲まれていることを示唆しています。EDELWEISS は、粒子検出器内で原子からの WIMP の弾性散乱を検出することにより、WIMP 暗黒物質を直接検出することを目指す、数多くの暗黒物質探索実験の 1 つです。相互作用率は非常に低いため、感度の高い検出器、優れた背景識別、および (宇宙線からの背景を減らすため) 地下深くの場所が必要です。
実験
EDELWEISS は、フランスとイタリアの間にあるフレジュス道路トンネルの地下 1,800 メートルの岩盤の下にあるモダーン地下研究所にあります。20 cm の鉛シールドがガンマ線バックグラウンドを低減し、ポリエチレンシールドが中性子束を低減します。検出器に近いすべての材料は放射能の検査を受けています。検出器の冷却には希釈冷凍機が使用され、ほとんどの機器とは逆の向きで構築されており、検出器が上部にあり、冷却機構が下部にあります。
EDELWEISS は、絶対零度より 20 ミリケルビン高い温度に冷却された高純度ゲルマニウム極低温ボロメータを使用します。粒子の相互作用によって生成されるフォノンとイオン化信号が測定されます。これにより、核反跳イベント (WIMP または中性子の相互作用によって生成) は電子反跳イベント (アルファ、ベータ、ガンマ放射線によって生成) よりもはるかに少ないイオン化を生成するため、バックグラウンド イベントを排除できます。検出器は、CDMS実験で使用されるものと似ています。低温での半導体によるイオン化と熱の同時検出は、ローレンス M. クラウス、マーク スレドニツキ、フランク ウィルチェクによる独自のアイデアでした。[1]
初期の検出器の主な限界は表面イベントの問題でした。電荷収集が不完全だったため、結晶表面近くの粒子相互作用はイオン化信号を与えず、表面近くの電子反跳が核反跳と間違えられる可能性がありました。これを避けるために、共同研究チームはインターデジタル電極を備えた新しい検出器を開発しました。一連の電極に異なる電圧を印加することで、結晶表面近くの電界の方向が異なり、表面イベントの 99.5% 以上を排除できます。[2]
結果
実験の第一段階（EDELWEISS I）の結果は2005年に発表され、相互作用断面積が≈10 −6 pb（≈85 GeVのとき）[3] ：図15
EDELWEISS-IIは2009年から2010年にかけて10台の検出器、つまり4kgの検出器質量（総実効照射量は384kg· d）で運転され[4]、高質量[4] : 図5 および低質量 WIMP、[5]およびアクシオン[6]を制限した 。WIMP 質量 85 GeV の場合、 4.4 × 10 −8 pbは 90% CL で除外されます。(図 A の CDMS 結果のすぐ上)
EDELWEISS-IIIには40個の検出器が搭載されていた。[6] EDELWEISS-IIIは2014年から2015年にかけて最初の科学観測を実施し、その結果は2016年に発表された。
EURECAの設計作業はEDELWEISS-IIIの運転終了後も継続され、2017年以降に運用が開始される予定です。
コラボレーション
EDELWEISS は、以下のメンバー機関のコラボレーションです。
CEA – エネルギー委員会アトミック
- IRFU -大学財団研究研究所
- IRAMIS - アンスティチュ・レヨンヌマン・マティエール・ド・サクレー
CNRS – 国立科学研究センター
- CSNSM - Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse、オルセー
- IPNL - リヨンヌクレエール物理学研究所
- グルノーブルのNÉEL研究所
- IAS -天体物理学空間研究所、パリ
フランス国外の機関
- カールスルーエ大学、ドイツ
- カールスルーエForschungszentrum、ドイツ
- JINR – ロシア、ドゥブナ合同原子核研究所
- オックスフォード大学
参考文献
- ^ Krauss, L.; Srednicki, M.; Wilczek, F. (1986). 「太陽系の制約と暗黒物質候補のシグネチャ」. Physical Review D. 33 ( 8): 2079–2083. Bibcode :1986PhRvD..33.2079K. doi :10.1103/PhysRevD.33.2079. PMID 9956878.
- ^ Juillard, A. (2008). 「EDELWEISS-II実験の現状」. Journal of Low Temperature Physics . 151 (3–4): 806–811. Bibcode :2008JLTP..151..806J. doi :10.1007/s10909-008-9742-5. S2CID 123956512.
- ^ Sanglard, V.; et al. (EDELWEISS Collaboration) (2005). 「極低温熱電離 Ge 検出器による EDELWEISS-I 暗黒物質探索の最終結果」. Physical Review D. 71 ( 12): 122002. arXiv : astro-ph/0503265 . Bibcode :2005PhRvD..71l2002S. doi :10.1103/PhysRevD.71.122002. S2CID 119449115.
- ^ ab Armengaud, E.; et al. (EDELWEISS Collaboration) (2011). 「インターリーブ電極を備えた 4 kg の極低温ゲルマニウム検出器アレイを使用した EDELWEISS-II WIMP 検索の最終結果」. Physics Letters B. 702 ( 5): 329–335. arXiv : 1103.4070 . Bibcode :2011PhLB..702..329E. doi :10.1016/j.physletb.2011.07.034. S2CID 118504484.
- ^ Armengaud, E.; et al. (EDELWEISS Collaboration) (2012). 「EDELWEISS-II 熱イオン化検出器による低質量 WIMP の探索」. Physical Review D . 86 (5): 051701. arXiv : 1207.1815 . Bibcode :2012PhRvD..86e1701A. doi :10.1103/PhysRevD.86.051701. S2CID 119225855.
- ^ ab Armengaud, E.; et al. (EDELWEISS Collaboration) (2013). 「EDELWEISS-II実験によるアクシオン探索」. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . 2013 (11): 067. arXiv : 1307.1488 . Bibcode :2013JCAP...11..067A. doi :10.1088/1475-7516/2013/11/067. S2CID 118510427.
外部リンク
- EDELWEISSコラボレーションホームページ
- EURECA コラボレーション ホームページ 2009-08-14 にWayback Machineでアーカイブされました