ゼプリンIII

ZEPLIN -III 暗黒物質実験は、 12 kg の液体キセノンターゲットを使用して銀河系 WIMP を検出しようとした。この実験は、2006 年から 2011 年まで、ノースヨークシャー州ロフトゥスのボールビー地下研究所で実施された。これは、もともと英国暗黒物質共同研究(UKDMC)によって進められていた ZEPLIN プログラムにおける一連のキセノンベースの実験の最後のものであった。ZEPLIN-III プロジェクトは、インペリアル カレッジ ロンドンが主導し、英国のラザフォード アップルトン研究所とエディンバラ大学、ポルトガルの LIP-コインブラ、ロシアの ITEP-モスクワも参加した。この実験では、ボルビーで実施された2回の科学実験（2008年の83日間と2010/11年の319日間）から、核子によるWIMPの弾性散乱断面積が3.9 × 10 ⁻⁸ pb（3.9 × 10 ⁻⁴⁴ cm ²）を超えることは除外されました。

暗黒物質の直接探索実験は、銀河に浸透していると考えられている冷たい暗黒物質粒子と放射線検出器の活性媒体内の原子核との間で発生すると予想される、極めて稀で非常に弱い衝突を探すものです。これらの仮説上の素粒子は、数個の陽子ほどの重さから数個の重い原子核ほどの重さの、弱い相互作用をする巨大粒子(WIMP) である可能性があります。その性質はまだわかっていませんが、素粒子物理学の標準モデルの範囲内で、暗黒物質の問題を説明できる有力な候補は残っていません。

凝縮希ガス、特に液体キセノンと液体アルゴンは、優れた放射線検出媒体です。これらのガスは、各粒子の相互作用に対して、高速の閃光（シンチレーション）と局所的な電荷の放出（イオン化）という 2 つの特徴を生成できます。2 相キセノン（平衡状態の液体と気体の相を含むためこのように呼ばれます）では、液体内での相互作用によって生成されたシンチレーション光が光電子増倍管で直接検出されます。相互作用部位で放出されたイオン化電子は、外部電界の下で液体表面までドリフトし、その後、キセノン蒸気の薄い層に放出されます。ガス内に入ると、2 つ目の大きな光パルス（エレクトロルミネセンスまたは比例シンチレーション）が生成され、同じ光電子増倍管アレイで検出されます。これらのシステムは、キセノン「発光検出器」としても知られています。^[1]

この構成は、タイム プロジェクション チャンバー(TPC)の構成です。2 つの光パルス間の時間間隔から深さ座標 (z) を非常に正確に測定できるため、相互作用部位の 3 次元再構成が可能です。水平座標は、光電子増倍管アレイのヒット パターンから再構成できます。WIMP 検索で重要なのは、2 つの応答チャネル (シンチレーションとイオン化) の比率によって、WIMP 検索の主なバックグラウンド (検出器材料とその周囲の痕跡放射能からのガンマ線とベータ線) を排除できることです。WIMP 候補イベントは、より一般的なバックグラウンド相互作用よりも低いイオン化/シンチレーション比率を生成します。

ZEPLINプログラムは、WIMP探索に2相技術を使用する先駆者となった。しかし、この技術自体は、1970年代初頭にアルゴンを使用した放射線検出用に最初に開発された。^[1]モスクワ工科物理研究所の先駆者の一人であるレベデンコは、2001年から英国でZEPLIN-IIIの構築に携わった。それと並行して開発されたが、より短い期間で開発されたZEPLIN-IIは、世界で初めて稼働したWIMP検出器となった（2005年）。^{[2]この技術は、} XENONプログラムでも非常にうまく採用された。2相アルゴンは、 WARPコラボレーションとArDMによる暗黒物質探索にも使用されている。LUXは、限界を改善した同様のシステムを開発している。

ZEPLIN (液体希ガス中のゾーン比例シンチレーション) シリーズの実験は、英国ダークマターコラボレーションが液体キセノンを使用して追求した進歩的なプログラムでした。これは、WIMP 散乱の方向情報を回復するためにガス充填 TPC の使用を推進した DRIFT プログラムと並行して発展しました。1980年代後半、UKDMC は、極低温 LiF、CaF ₂、シリコン、ゲルマニウムなど、さまざまな材料と技術の可能性を探求し、そこから Boulby で室温NaI(Tl) シンチレーターに基づくプログラムが生まれました。^[3]その後、新しいターゲット材料である液体キセノンに移行したのは、貴液体ターゲットの方が本質的にスケーラブルで、エネルギー閾値を低くしてバックグラウンド識別を改善できるという認識がきっかけでした。^[4]特に、外部バックグラウンドの影響をより受けやすいバルクターゲットの外部層は、相互作用の位置がわかっている場合はデータ分析中に犠牲にすることができます。これにより、潜在的に非常に低いバックグラウンド率を持つ内部基準ボリュームが残ります。この自己遮蔽効果 (人為的な頭字語 ZEPLIN の「ゾーン」という用語で暗示されています) により、各モジュールが独自のバックグラウンドをもたらす結晶検出器で採用されたモジュール方式に基づく技術と比較して、これらのターゲットの感度が速く向上します。

3kgの液体キセノンターゲットであるZEPLIN-Iは、1990年代後半からBoulbyで稼働していました。 ^[5]これは、WIMPによって引き起こされるシンチレーション光のタイミング特性と背景相互作用との間の小さいながらも有用な違いを利用して、背景除去にパルス形状弁別を使用しました。これに続いて、2段階システムZEPLIN-IIとZEPLIN-IIIが、それぞれRAL / UCLAとインペリアルカレッジで並行して設計および構築されました。

ZEPLIN-II は、暗黒物質の探索に世界で初めて導入された二相システムです。^[2]これは、いわゆる三電極構成で 3 mm のガス層が上部にある 30 kg の液体キセノンターゲットで構成されていました。液体表面の下の追加電極 (ガスの上にある陽極グリッドとチャンバーの底にある陰極に加えて) を使用して、液体の大部分 (WIMP ターゲット) とその上のガス領域に別々の電界が適用されました。ZEPLIN-II では、7 つの光電子増倍管のアレイがガス相でチャンバーを上から観察しました。

ZEPLIN-IIIは1990年代後半に提案され、^[6] ITEPで開発された同様のコンセプトに一部基づいており、^{[7]インペリアルカレッジの}ティム・サムナー教授とそのチームによって構築されました。2006年後半にボルビーの地下に設置され、2011年まで稼働しました。これは2電極チャンバーで、ガスへの電子放出は追加の電極ではなく、液体バルク内の強力な（4kV/cm）電場によって達成されました。光電子増倍管アレイには、冷たい液体キセノンに浸されたWIMPターゲットを下から見る31個の光子検出器が含まれていました。^[8]

ZEPLIN–II と –III は意図的に異なる方法で設計されており、各サブシステムで採用されている技術を評価して、UKDMC が提案した最終実験 (当時の理論で推奨されていたパラメータ空間 (1 × 10 ^{−10 pb) のほとんどを調査できる 1 トン規模のキセノンターゲット (} ZEPLIN-MAX )) 用に選択することができました。ただし、この後者のシステムは資金不足のため英国では構築されませんでした。

ZEPLIN-III 液体キセノンターゲットは、その前身である ZEPLIN と同じ規模で製造されましたが、より高い識別係数の達成と全体的なバックグラウンドの低下により、WIMP 感度が大幅に向上しました。2011 年には、50 GeV WIMP 質量に対して、スピンに依存しない WIMP-核子弾性散乱断面積の排除限界が 3.9 × 10 ⁻⁸ pb を超えるという結果を発表しました。^[9] XENON100の結果ほど厳密ではありませんが、^[10]これは 10 倍小さい基準質量で達成され、これらの検出器でこれまでに達成された中で最高のバックグラウンド識別を示しました。WIMP-中性子スピン依存断面積は、8.0 × 10 ⁻³ pb を超えると排除されました。^{[11] [12]また、} DAMAからの肯定的な主張と他の実験での信号の欠如を調和させようとした非弾性 WIMP 散乱モデルも排除しました。^[13]

• ZEPLIN-III プロジェクト
• ボルビー地下研究所
• 英国ダークマターコラボレーション

北緯54°33′12″ 西経0°49′28″ / 北緯54.5534° 西経0.​​8245° / 54.5534; -0.8245