LZ実験

LUX-Zeplin (LZ) 実験
実験
国	アメリカ合衆国
州	サウスダコタ州
Webサイト	LZダークマター実験

LUX -ZEPLIN (LZ) 実験は、弱く相互作用する巨大粒子(WIMP) が原子核に散乱するのを観測することを目的とした次世代の暗黒物質直接検出実験です。 ^{[1]この実験は、} LUXグループとZEPLINグループを統合して 2012 年に結成されました。現在は、米国、英国、ポルトガル、韓国の 30 の研究所が協力しています。実験はサウスダコタ州のサンフォード地下研究施設(SURF)の地下約 1,500 メートルに位置し、^[2]米国エネルギー省(DOE) のローレンス・バークレー国立研究所(バークレー研究所) によって管理されています。

この実験では、7 トンの液体キセノンで作られた超高感度検出器を使用して、WIMP と原子核の相互作用の信号を探します。これは、10 GeV/c ²を超える WIMP の直接検出の探索を先導する 3 つの実験のうちの 1 つであり、他の 2 つはXENONnT実験とPANDAX -4T 実験です。

2015年春、LZは「重要決定ステップ1」またはCD-1レビューに合格し、公式のDOEプロジェクトとなりました。^[3]米国エネルギー省当局は2020年9月21日にLZのプロジェクト完了を正式に承認しました。DOEのプロジェクト完了マイルストーンは重要決定4、またはCD-4と呼ばれています。^[4]

WIMP 核散乱を決定的に特定するには、LZ はアクティブ ボリューム内での非常に小さなエネルギー蓄積を観測できなければなりません。ただし、真の WIMP 散乱とバイアスによって引き起こされる他の相互作用を区別することもできなければなりません。これらの既知の「背景」の例には、環境内の微量放射能によって生成されるガンマ線からの相互作用、環境で生成される中性子からの相互作用、および上層大気で生成される宇宙線ミューオンからの相互作用があります。暗黒物質探索の 2 つの目標は、これらの背景相互作用の数を最小限に抑えることと、発生した相互作用が背景 (WIMP ではなく) からのものであることを特定できるようにすることです。

まず、最も内側の検出器は、デュアルフェーズキセノン タイムプロジェクションチャンバー（TPC）で構成されています。^{[5] [6]}この検出器は、WIMP-核散乱のターゲットです。次のセクションで説明するように、この検出器は、キセノン内の相互作用の位置の3D再構成を実行できます。これにより、検出器の周辺（側面、上部、下部）近くで発生するバックグラウンド相互作用を識別して排除できます。これらの周辺相互作用は、外部ガンマ線または中性子、およびTPCとクライオスタットを構成する検出器コンポーネント内の微量放射性核種の放射性崩壊によるものである可能性が圧倒的に高いです。さらに、液体キセノンの密度が比較的大きいため、TPCはある程度「自己遮蔽」できます。TPCに入るガンマ線（中性子）は、散乱して停止するまでにわずか数センチメートル（10センチメートル）しか移動できません。その結果、検出器の最も内側のボリュームには、これらのバックグラウンドの多くはほとんどありません。この最も内側の、つまり「基準」ボリュームは非常に静かであるため、他の背景の上の WIMP 散乱の観測に非常に敏感であり、LZ の WIMP 探索が実行される空間です。

次に、TPC は、外部のガンマ線と中性子の放出率を減らすために、アクティブおよびパッシブ シールドの複数の層の内側に配置されています。TPC は、キセノンを液相に保つために必要な温度 (約 178K) を維持する内側クライオスタットに収納されています。この内側クライオスタットは、より大きな外側クライオスタットの中に入れられており、キセノンへの熱伝達を制限するのに役立ちます。外側クライオスタットの外側には、液体シンチレータを保持するアクリル タンクのセットがあります。このシンチレータは、より効率的な中性子捕捉のためにガドリニウムが充填された液体アルキルベンゼン (LAB) です。ガンマ線または中性子が TPC 内で一度散乱してから外に出ると、シンチレータにもエネルギーが蓄積される可能性があります。これらのエネルギーの蓄積は、アクリル タンクの外側にある一連の光電子増倍管 (PMT)によって検出できる光子の放出を伴います。 TPC での散乱と同時にこのような信号を観測することにより、WIMP 散乱のように見える可能性のある TPC 内のバックグラウンドを排除することが可能になります。これは、ガンマ線よりも遠くまで浸透し、WIMP が予想されるのと同じように (キセノンの原子電子ではなく) キセノン原子核で散乱する中性子にとって特に重要です。外側の検出器 PMT アレイは、より大きな水槽内にあります。水槽と液体シンチレーターを一緒に使用すると、外部のガンマ線と中性子に対する強力なパッシブ シールドも提供され、TPC に入る前にそれらの大多数を阻止します。アセンブリ全体は、SURF のデイビス洞窟の地下約 1 マイルにあります。この地下の場所は岩盤の被覆を形成し、地球表面に比べて TPC に入る宇宙線ミューオンの速度を大幅に低減します。これらすべての異なる戦略を組み合わせることで、LZ はキセノン原子核上の暗黒物質散乱を非常に高感度に探索できる検出器になります。

LZ の中心にある検出器は、円筒形の二相キセノン時間投影チャンバー (TPC) です。^[7]これは、7 トンの液体キセノン ターゲットと、その上の小さな気体キセノン領域で構成されています。動作原理は次のとおりです。WIMP または背景散乱が発生すると、少量の運動エネルギーがキセノン原子核 (または原子電子) に与えられます。これにより、キセノン原子は散乱場所の近くの領域で跳ね返り、そのエネルギーが即発シンチレーション光子、自由 (イオン化) 電子、および熱の生成に変換されます。即発シンチレーション光子の多くは、検出器の上部と下部にある光電子増倍管 (PMT) によって検出できます。イオン化電子は、外部から印加された電界内で上方に漂い、液体表面に到達すると、ガスに引き込まれ、より強い電界内で発光光を生成します。この発光により、遅延した「S2」信号が生成されます。外部から生成される電界は、底部、陰極、ゲート、陽極の4つの高電圧電極グリッドによって生成されます。 ^[8]

S1 と S2 を組み合わせることで、キセノン内の相互作用の位置を正確に 3D で再構築できます。S2 は上部 PMT アレイのすぐ近くで発生するため、それだけで相互作用が XY のどこで発生したか (つまり、検出器軸に対して) を正確に把握できます。プロンプト S1 と遅延 S2 の時間差は、相互作用の深さの代理です。つまり、特定の電界におけるキセノン内の電子のドリフト速度を使用することで、ドリフト時間を物理的な深さ、つまり Z 位置に変換できます。この XYZ 位置を組み合わせることで、感度の高い WIMP 検索のための静かな内部基準ボリュームを特定できます。また、WIMP のような単一サイト相互作用と、中性子やガンマ線のようなバックグラウンドのような複数サイト相互作用を区別することもできます。

MicroBooNEのようなニュートリノ実験で使用される他の種類の時間投影チャンバーとは異なり、ここでのイオン化信号は S2 光を介して完全に捕捉され、電極によって電流が直接測定されることはないことに注意してください。

2022年7月、LZ共同研究グループは、約60日間分のライブデータを使用して、スピンに依存しないWIMP-核子散乱断面積の上限値を初めてプレプリントで発表しました。^{[9] [10]}今後の探索では、公称探索期間を1000日として、WIMP散乱をさらに詳しく調べる予定です。

2023年7月28日、LZ実験によるWIMP探索の最初の結果が、以前はプレプリントとして公開され、Physical Review Lettersに掲載されました^[11]。断面積が9.2 × 10を超えるものは除外されています。⁻⁴⁸ cm ²で36 GeV、90%信頼水準で^[12] 、同日にXENONnTも共同で、断面積2.58 × 1028 GeVで90%の信頼度で⁻⁴⁷ cm ^2。[13] 2024年8月26日現在^{[アップデート]}、実験は280日間（1,000日を目標）稼働しており、「暗黒物質」の証拠は見つかっていないが、これまでのところその特性の制限を厳しくしている。 ^[14]

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