ZEPLIN-III
ZEPLIN-III暗黒物質の実験は、 12キロ液体キセノンターゲットを用いて銀河弱虫を検出することを試みました。2006年から2011年にかけて、Boulby Underground Laboratory（North-East England、UK）で運営されました。これは、元々UK Dark Matter Collaboration（UKDMC）によって追求されたZEPLINプログラムの一連のキセノンベースの実験の最後でした。ZEPLIN-IIIプロジェクトを率いるたインペリアル・カレッジ・ロンドンとも含まラザフォードアップルトン研究所とエジンバラ大学、英国では、だけでなく、LIP-コインブラポルトガルとITEP-モスクワロシアで。ボールビーで実施された2回の科学実験（2008年に83日、2010/11年に319日）から、3.9×10 -8 pb（3.9×10 -44 cm 2）を超える核子からのWIMPの弾性散乱の断面積を除外しました。。
ZEPLIN-III実験：主に銅で作られたWIMP検出器には、クライオスタット容器内に2つのチャンバーが含まれていました。上部のチャンバーには12kgの活性液体キセノンが含まれていました。液体に浸して動作する31個の光電子増倍管のアレイは、液体の上の薄いガス層からの迅速なシンチレーションと遅延エレクトロルミネッセンスを検出します。下部チャンバーには、冷却を提供するための液体窒素が含まれていました。検出器は、バックグラウンドの潜在的な発生源である中性子を緩和および捕獲するために、Gdをロードしたポリプロピレンで囲まれていました。中性子捕獲からのガンマ線は、モデレーターの周りに配置されたプラスチックシンチレーターの52モジュールによって検出されました。シールドは厚さ20cmの鉛の城で完成しました。
直接暗黒物質探索実験は、私たちの銀河に浸透す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非常にまれで非常に弱い衝突を探します。これらの架空の素粒子は、わずか数個の陽子または最大数個の重い原子核の重さの、弱く相互作用する巨大粒子、またはWIMPである可能性がそれらの性質はまだわかっていませんが、暗黒物質の問題を説明するための素粒子物理学の標準模型の中には賢明な候補が残っ
コンテンツ
1 検出技術2 歴史 3 結果
4 参考文献
5 外部リンク
検出技術
凝縮した希ガス、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。それらは、粒子の相互作用ごとに2つのシグネチャを生成できます。光の高速フラッシュ（シンチレーション）と電荷の局所放出（イオン化）です。二相キセノン（液相と気相が平衡状態にあることから呼ばれる）では、液体の相互作用によって生成される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。相互作用サイトで放出されたイオン化電子は、外部電場の下で液面までドリフトし、その後キセノン蒸気の薄層に放出されます。ガスに入ると、それらは2番目のより大きな光パルス（エレクトロルミネッセンスまたは比例シンチレーション）を生成します。これは、同じ光電子増倍管のアレイによって検出されます。これらのシステムは、キセノンの「発光検出器」としても知られています。
この構成は、タイムプロジェクションチェンバー（TPC）の構成です。深さ座標（z）は、2つの光パルス間の時間間隔から非常に正確に測定できるため、相互作用サイトの3次元再構築が可能になります。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築できます。WIMP検索にとって重要なのは、2つの応答チャネル（シンチレーションとイオン化）の比率により、WIMP検索の主なバックグラウンド（検出器材料とその周辺の微量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を生成します。
ZEPLINプログラムは、WIMP検索に2フェーズテクノロジーを使用する先駆者です。ただし、この手法自体は、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ました。モスクワ工学物理研究所のパイオニアの1人であるLebedenkoは、2001年から英国でのZEPLIN-IIIの構築に関与しました。それと並行して開発されましたが、より速いタイムスケールで、ZEPLIN-IIはそのようなWIMP検出器として最初に動作しました。世界で（2005）。この技術は、XENONプログラムでも非常にうまく採用されました。二相アルゴンは、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ます。LUXは、改善された制限を設定した同様のシステムを開発しています。
ZEPLIN-III二相キセノン検出器からの信号。高速シンチレーションパルス（S1）は、液体中でのシンチレーションによって迅速に生成されます。相互作用サイトからドリフトしたイオン化が液体の上の薄い気相に放出されると、より大きな遅延パルス（S2）が得られます。信号トレースの下の挿入図は、光信号のモンテカルロシミュレーションを示しています。
歴史
ZEPLIN（液体ノーブルガスにおけるゾーニング比例シンチレーション）一連の実験は、液体キセノンを使用して英国のダークマターのコラボレーションによって追求プログレッシブプログラムでした。これは、WIMP散乱に関する方向情報を回復するためにガス充填TPCの使用を促進するDRIFTプログラムとともに進化しました。1980年代後半、UKDMCは、極低温LiF、CaF 2、シリコン、ゲルマニウムなどのさまざまな材料と技術の可能性を探求し、そこから室温のNaI（Tl）シンチレータに基づいたプログラムがボールビーで登場しました。新しいターゲット材料である液体キセノンへのその後の移行は、高貴な液体ターゲットが本質的によりスケーラブルであり、より低いエネルギーしきい値とより優れたバックグラウンド識別を達成できるという認識によって動機付けられました。特に、相互作用の位置がわかっている場合、外部バックグラウンドの影響をより受けているバルクターゲットの外部レイヤーをデータ分析中に犠牲にすることができます。これにより、バックグラウンドレートが非常に低くなる可能性のある内部基準ボリュームが残ります。この自己遮蔽効果（考案されたZEPLINの頭字語の「ゾーン」という用語で暗示される）は、各モジュールが独自の背景をもたらす、鉱石検波器で採用されたモジュラーアプローチに基づく技術と比較して、これらのターゲットの感度のより速いゲインを説明します。
3 kgの液体キセノンターゲットであるZEPLIN-Iは、1990年代後半からボールビーで運用されていました。 WIMPとバックグラウンドの相互作用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間の小さいが有用な違いを利用して、バックグラウンド除去にパルス形状弁別を使用しました。これに続いて、RAL / UCLAとImperialCollegeでそれぞれ並行して設計および構築された2フェーズシステムZEPLIN-IIとZEPLIN-IIIが続きました。
ZEPLIN-IIは、世界で暗黒物質を検索するために展開された最初の2フェーズシステムでした。それは、いわゆる3電極構成の3mmのガス層で覆われた30kgの液体キセノンターゲットで構成されていました。液体の大部分（WIMPターゲット）とガス領域に別々の電界が印加されました。その上に、液面の下に追加の電極を使用します（ガスの上にあるアノードグリッドと、チャンバーの底にあるカソードに加えて）。ZEPLIN-IIでは、7つの光電子増倍管のアレイが気相でチャンバーを上から見ました。
ZEPLIN-IIIは、1990年代後半に提案された、ITEPで開発された同様の概念に一部基づいて、と教授によって建てられたティム・サムナーインペリアルカレッジのと彼のチーム。2006年後半にボールビーの地下に配備され、2011年まで稼働しました。これは2電極チャンバーであり、ガスへの電子放出は、液体バルク内の強い（4 kV / cm）フィールドによって達成されました。追加の電極。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。
ZEPLIN-IIおよび-IIIを意図各サブシステムに採用技術を鑑定することができるように、様々な方法で設計され、UKDMCによって提案された最終的な実験のために選択した：トン規模キセノンターゲット（ZEPLIN-MAX）ことができますこの時点で理論が好むパラメータ空間の大部分（1×10 -10 pb）を精査しますが、後者のシステムは資金不足のために英国で構築されたことはありません。
結果
ZEPLIN-III液体キセノンターゲットは、その前身のZEPLINと同じスケールで構築されましたが、達成された識別係数が高く、全体的なバックグラウンドが低いため、WIMP感度が大幅に向上しました。2011年には、50GeVのWIMP質量に対して3.9× 10-8pbを超えるスピン非依存WIMP核子弾性散乱断面積の除外制限を発表しました。 XENON100の結果ほど厳密ではありませんが、これは10分の1の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 -3pb以上では除外されました。 また、他の実験で信号がないこととDAMAからの肯定的な主張を調整しようとした非弾性WIMP散乱モデルを除外しました。
参考文献
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外部リンク
ZEPLIN-IIIプロジェクト
ボールビー地下研究所
英国ダークマターコラボレーション
コーディネート：54°33′12″ N 0°49′28″ W / 54.5534°N0.8245°W / 54.5534; -0.8245″