DEAP

DEAP

は暗黒物質の実験についてです。計算フレームワークについては、
DEAP（ソフトウェア）を参照して
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用いた直接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識別を利用します。クイーンズ大学では、ターゲット質量が7 kgの第1世代の検出器（DEAP-1 ）を操作して、液体アルゴンの低反跳エネルギーでのパルス形状識別のパフォーマンスをテストしました。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年にデータを収集しました。
2014年の建設中のDEAP-3600検出器
DEAP-3600は、3600 kgの活性液体アルゴン質量を使用して設計されており、100 GeV / c2の暗黒物質粒子質量に対して10-46 cm2という低いWIMP核子散乱断面積に対する感度を実現します。DEAP-3600検出器は建設を完了し、2016年にデータ収集を開始しました。検出器の事故により、2016年にデータ収集が一時停止されました。2019年現在、実験で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、グローバルアルゴン暗黒物質コラボレーションが、DEAP、DarkSide、CLEAN、およびArDM実験の科学者と結成されました。液体アルゴンの質量が20トンを超える検出器（DarkSide-20k）は、Laboratori Nazionali del GranSassoでの運用が計画されています。研究開発の努力は、ニュートリノ床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備えた次世代検出器（ARGO ）に向けて取り組んでおり、その非常に低いバックグラウンド放射線環境のためにSNOLABで動作する予定です。

コンテンツ
1 アルゴンシンチレーション特性とバックグラウンド除去
2 DEAP-1
3 DEAP-3600
4 協力機関
4.1 DEAP-3600のステータス
5 参考文献
6 外部リンク

アルゴンシンチレーション特性とバックグラウンド除去
液体アルゴンは、それと相互作用する粒子が入射粒子から蓄積されたエネルギーに比例して光を生成するシンチレーション材料であるため、これは、クエンチングが主要な要因になる前の低エネルギーに対する線形効果です。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リコイルが発生します。反跳するアルゴン核は再結合または自己トラッピングを受け、最終的に128nmの真空紫外線（VUV）光子を放出します。さらに、液体アルゴンには、それ自体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これにより、蓄積されるエネルギーMeVごとに生成される数万の光子の光収量が可能になります。
アルゴン核を持つWIMP暗黒物質粒子の弾性散乱は、核を反跳させると予想されます。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、感度を高めるために低い検出しきい値が必要です。検出しきい値が必然的に低いため、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、考えられるさまざまな種類のバックグラウンドイベントによってマスクされます。これらの非暗黒物質イベントを識別するための技術は、液体アルゴンからのシンチレーション光のタイミングシグネチャに基づいてイベントを特徴付けるパルス形状弁別（PSD）です。
電子、高エネルギー光子、アルファ、中性子などのさまざまな入射粒子による相互作用により、反跳するアルゴン核の励起状態の比率が異なり、これらは一重項状態と三重項状態として知られ、崩壊するため、PSDは液体アルゴン検出器で可能です。それぞれ6nsと1300nsの特徴的な寿命を持ちます。ガンマ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ますが、中性子とアルファ相互作用は、核反跳によって主に一重項励起状態を生成します。WIMPと核子の相互作用は、暗黒物質粒子とアルゴン核との弾性散乱により、原子反跳型の信号も生成すると予想されます。
イベントの到着時間分布を使用することにより、その可能性のある光源を特定することができます。これは、「遅い」ウィンドウ（<10，000 ns）で測定された光に対する「プロンプト」ウィンドウ（<60 ns）で光検出器によって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、このパラメーターはFpromptと呼ばれます。原子反跳タイプのイベントのFprompt値は高く（〜0.7）、電子反跳タイプのイベントのFprompt値は低くなります（〜0.3）。Fprompt for WIMP-like（Nuclear Recoil）イベントとbackground-like（Electronic Recoil）イベントのこの分離により、検出器内のバックグラウンドの最も支配的なソースを一意に識別することができます。
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の放射能を持つArgon-39のベータ崩壊に由来します。液体大気中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、関心領域（電子エネルギーの20keV近く）での核反跳からのベータおよびガンマバックグラウンドイベントの識別が108分の1よりも優れている必要がアルゴン。

DEAP-1
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洗練するために設計されました。この検出器は小さすぎて暗黒物質の検索を実行できませんでした。DEAP-1は、WIMP相互作用のターゲットとして7kg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短波長（128 nm）であるため、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）で再放射して、光を損失なく通常の窓を通過させます。最終的にはPMTによって検出されます。
DEAP-1は、表面の背景の良好なパルス形状識別を示し、SNOLABで動作を開始しました。地下深くの場所は、望ましくない宇宙線起源のバックグラウンドイベントを減らしました。DEAP-1は、実験設定の2つの変更を含め、2007年から2011年まで実行されました。DEAP-1はバックグラウンドイベントを特徴づけ、DEAP-3600で必要な設計の改善を決定しました。

DEAP-3600
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、基準容量は1000 kgで、残りの容量は自己遮蔽およびバックグラウンド拒否として使用されます。これは、これまでに作成された最初の種類の直径約2mの球形アクリル容器に含まれています。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個の高量子効率光電子増倍管（PMT）に囲まれています。アクリル製の容器は、超純水で満たされた直径7.8m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容されています。スチールシェルの外側には、入ってくる宇宙粒子、主にミューオンによって生成されたチェレンコフ放射を検出するための追加の48拒否PMTが
DEAP検出器で使用される材料は、バックグラウンドイベントの汚染を減らすために、厳格な無線純度基準に準拠する必要がありました。使用されたすべての材料は、存在する放射線のレベルを決定するために分析され、内部検出器コンポーネントは、崩壊娘からアルファ線を放出するラドン放射に対して厳しい要件を持っていました。内側の容器は、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。 TPBは、ほとんどのPMTの感度領域で、425 nmでピークに達する発光スペクトルを備えた高速の再発光と高い光収量により、液体アルゴンおよび液体キセノンの実験で使用される一般的な波長シフト材料です。
スピンに依存しないWIMP-核断面積に関するDEAPの予測感度は、 3年間のデータ取得後、100 GeV / c2で10-46 cm2です。

協力機関
協力機関は次のとおりです。
アルバータ大学 AstroCeNT カナダ原子力研究所
カールトン大学CIEMAT INFN
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
ロンドンのロイヤルホロウェイ大学
ラザフォードアップルトン研究所 SNOLAB サセックス大学
ミュンヘン工科大学 TRIUMF このコラボレーションは、別の弱く相互作用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天文台（SNO）プロジェクトで多くのメンバーや機関が得た経験から主に恩恵を受けています。

DEAP-3600のステータス
建設が完了した後、DEAP-3600検出器は、検出器内の窒素ガスパージを使用して、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。検出器の充填が完了し、暗黒物質を検索するためのデータ収集が2016年8月5日に開始されました。検出器に液体アルゴンが最初に充填された直後、8月17日にブチルOリングシールが故障しました。 、2016年、アルゴンを100ppmのN2で汚染しました次に、検出器をベントして再充填しましたが、シールの失敗の再発を避けるために、今回は3300kgのレベルにしました。この2回目の充填は完了しました。 2016年11月。最初の充填から4.44ライブ日での曝露による最初の暗黒物質検索結果は、2017年8月に公開され、100 GeV / c 2WIMP質量に対して1.2 × 10-44cm2の断面限界を与えました。。
暗黒物質に対する感度の向上は2019年2月に達成され、2016年から2017年の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、100 GeV / cに対して3.9 × 10-45cm2の断面限界が得られました。 2WIMP質量。この更新された分析は、ベータおよびガンマバックグラウンドに対するパルス形状識別技術について、しきい値の液体アルゴンでこれまでに達成された最高のパフォーマンスを示しました。共同研究はまた、シンチレーションイベント後の時空で観測された光の分布を使用して、まれな原子反跳の背景を排除するための新しい技術を開発しました。
2019年現在、DEAP-3600は暗黒物質の探索を続けています。

参考文献
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外部リンク
DEAP-3600のWebサイト
DEAP-1プロジェクトのWebサイト
SNOLABウェブサイト
SNO実験