高分解能原子核乾板 (NIT) による暗黒物質探索実験

中　竜大＠名古屋大学　

２００７年三者若手夏の学校

原子核乾板って？一種の写真フィルム。荷電粒子が通った跡が銀粒子

の形で残る。( 位置分解能～ 1μm)⇒ 特に、寿命の短いような粒子の検出に威力を発揮してき

た！( 実績：チャーム粒子初検出、 ντ の初検出、ダブルハイパー

核初検出 etc)

現在の解析は自動飛跡読取装置を用いて行われている。

Dark Matter

http://www.astro.rug.nl/~ruwen/cosmology/img/milkrot.png

Dark matter はあるはず証拠

・銀河の回転曲線 ( 遠方で flat)

・ WMAP(ΩDMh2~0.12±0.02)

・重力レンズ

　　　　　　　　　　　　 etc回転曲線からこの銀河系にも Dark Matter は存在す

る。Local halo density~0.3GeV/cm3 ( Maxwell 分布をしていると考える )Dark Matter の候補： WIMP(Weakly Interacting Massive Particle)相互作用が弱くて、重い粒子 ( 光を発しないので、電荷は中性 )

SUSY 、 Kalza-Klein など、理論家はいろいろな候･･･補を提示してくれている。

WIMPs と地球上の検出器の相対運動

銀河中心

WIMPs の速度ベクトル V

W S

200km/secE

シグナルは方向性ありバックグランドは等方的

Vrel = VW + 200km/sec

VW NIT 200km/secWIMPs

E

E

WIMP は Maxwell 分布と考えられるので、地球には WIMPの風が常に吹く。

飛跡検出器を使えば、方向性を捕えられる。

検出原理原子核乾板で Dark Matter の signal を見つけたい

Earth

Sun220km/sec

EarthNIT

地下で NIT を赤道儀に載せ地球の回転を打ち消す

WIMP

夏

冬

WIMP

Ag

Br

AgBr crystal

WIMPs wind

Range of recoil nuclear～ 100nm

Ag recoil nuclear

Maxwell 速度分布 のWIMP

ゼラチン H,C,N,O,S

Merit

・飛跡として signalが見れる。 ( 飛跡情報はエネルギースペクトルの統計数桁に相当 )・大質量化が可能

WIMP ｓとの弾性散乱で反跳される原子核の飛跡原子核乾板を赤道儀にのせ WIMPs の風の方向にマウント

WIMP ｓ signal ; 方向性ありBackground; 　　等方的

Range of low velocity atom in nuclear emulsion

range ～ 100nm

Vrecoil = 2 ( Vsun + VWIMP )

　 　 　 = 500～1200 km/sec

SRIM range-velocity curves for atomic components of emulsion

~10nm resolution is required for directional measurement

Recoil energy

→10~100keV order

Range =10~100nm order

Vrecoil=(Vsun-VWIMPs)(1-cosθ)

→100 ～ 1000km/sec

　

高分解能原子核乾板(Nano Imaging Tracker:NIT)

OPERA, その他従来の乾板 NIT

200nm

NIT:AgBr crystal size ~40nmOPERA:AgBr crystal size ~200nm11 AgBr/μm2.2 AgBr/μm

通常の原子核乾板の 5 倍の高分解能化に成功。

( さらなる高分解能化は技術的には可能 )

反跳原子核に対する感度　 Br の反跳を仮定して、低速 Kr イオン (100 ～ 1000

km/sec) を打ち込んで評価

base

NIT layer

microscope(SEM, optical)

15°

Kr

イオン注入用 target chamber

Optical microscope picturemasked

Dark Field Image of Light Microscope

シグナルは認識できるが、飛跡としての認識は困難。

Dose = 108/cm2

飛跡を構成しているかを電子顕微鏡で確認

Random fog

Kr track(200keV and 600keV) by SEM

200 nm 3 AgBr hit

600 nm

Kr 1200km/sec (600keV)

7 AgBr hit

Kr 680km/sec (200keV)

NIT emulsion is sensitive to 200keV(680km/sec) Kr.

でもやっぱり電顕では、大質量の解析は不可能なので、光学顕微鏡での飛跡認識が必要 !!

短い飛跡をどう解析する？

　低速イオンの飛跡は数個の grain で clusteringされている。

⇒ この grain を引き離してしまえば、飛跡の長さが伸ばされ、光学認識が可能になるはず。

1 grain like track Separate grain

これが～ μm以上なら光学認識が可能

　　　　　　　　　　　　　　　　　　飛跡の引き伸ばし技術開　

1．ローラーを用いた引き伸ばし技術化学処理を施すことで、 NIT を変性させる。

NIT

roller

NIT

15°Kr

２つの技術を考案

600keV(1180km/sec) Kr track の引き伸ばし

Kr ion exposure

Swell technique of NIT emulsionKr ion

Range ~100nm order

swell

Expected range ~ μm order

2.膨潤特性を利用した技術

NIT

optical microscopeslice

Expanded 200keV Kr track by swell technique

Dark field optical microscope image(×100 object lens)

surface

4μm

200keV 400keV 600keV 未照射

random fog は点のまま

Kr 600keV number of grain distribution

0

5

10

15

20

25

30

35

40

number　of　grain

rate　for　all　

track　

[%]

expansion　Kr　　dataSEM　data

expansion　Kr　　data 0 5.4455 15.842 24.257 25.248 20.792 5.9406 2.4752

SEM　data 5 15 37.5 22.5 10 7.5 2.5

2 3 4 5 6 7 8 9

Kr400keV number of grain

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

grai

n ra

te fo

r to

tal t

rack

gra

in [

%]

expansion　track　dataSEM　data

expansion　track　data 0 22.449 43.878 21.429 7.1429 2.0408

SEM　data 18.75 46.9 25 6.25 3

2 3 4 5 6 7

Kr 200keV number of grain

0

10

20

30

40

50

60

70

number　of　grain

rate

o

f n

um

be

r o

f grain

fo

r all trac

k [%

]

expansion　KrdataSEM　data

expansion　Kr　data 53.8043478 40.2173913 5.97826087

SEM　data 63 34.7 2.1

2 3 4

3.6±0.8 μm3.1±0.8 μm1.5±0.5 μm

98% 100%

Expansion Kr track data by swell technique

200keV 400keV 600keV

Rat

e of

nu

mb

er o

f gr

ain

[%

]

Rat

e of

nu

mb

er o

f gr

ain

[%]

Rat

e of

nu

mb

er o

f gr

ain

[%

]

2 3 4 2 3 4 5 6 72 3 4 5 6 7 8 9

range [μm] range [μm] range [μm]

Kr 600keV number of grain Kr 400keV number of grain Kr 200keV number of grain

efficiency 　　 67%

電子顕微鏡に匹敵する track 情報を得ることが出来る。

暗黒物質の探索にはバックグラウンド除去が最大の課題

飛跡検出の場合、二つ以上の grain がある間隔以内で接近しているとシグナルとなる。

・外部バックグラウンド (γ 、 β 、中性子･･･ )

・内部バックグラウンド (Th 、 U崩壊系列からの放射性崩壊による γ/e,β)

対策

・感度コントロール

・感光メカニズムの違いによる差別化 今後の開発

Background

NIT は感度を化学的に調整できる。

電子のとまりがけの single hit のみしか写らない感度までおとす。

241Am γ 　 30min exposure ( 2.8MBq)

single hit に見えるが、 2grain 以上がclustering されていると引き伸ばしたときに飛跡として見えてしまう。

NIT の感度コントロール

今まで見せていた NIT⇒ 実は、化学的処理で最大限に感度を上げたもの。

反跳原子核は非相対論的な速度なので、 dE/dx は、 electron event と比べて、けた違いに高い。 ( ～ 300 倍以上 )

・増感していない NIT Kr⇒ に対して、 efficiency が出ない。

・最大限の増感処理⇒ electron のとまりがけに対し感度が高すぎる。

この間での感度コントロールが必要 !!

未増感 NIT の中感度増感処理 ( ハロゲンアクセプター増感処理）　

高感度 NIT

中感度 NIT

感度を落としたものでも Kr の飛跡認識は可能！

γ/e に対する感度⇒ 241Amγ 線を用いてテスト

γ/e reject < 10E-5 (99.99999%) ( 高感度 NIT~10E-2)

⇒ 　比較的抑えた増感処理Kr track density of

high sensitivity and middle sensitivity NIT

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 200 400 600 800

Kr　energy　[keV]

T.D　×10

7̂　[/cm̂

2]

NIT高感度中感度

　

解析速度

• 自動飛跡読み取り装置現在の scan speed

～ 40cm2/h (OPERA)=0.18cm3/h

= 4.7kg/year

現在の読み取りスピードでも、 1000g のパイロットテストには十分

今後、さらなる読み取り速度の向上は十分可能。

将来的に 10 ～ 100 倍以上の読み取り速度をめざす。

(将来的には、 100kg以上の実験をやりたい。 )

まとめ　こんな感じで、現在は基礎開発を地道に

やっているところ

数 100nm の飛跡を、光学顕微鏡での飛跡認識させることに成功した。

新しい増感処理の開発で、最適感度に近づいた。　　　　　　　　　　　　　 (今後、詳細なチューニング )

γ/e バックグラウンドの 5 桁以上の reject を可能にした。　

　　　　感光メカニズムの違いを光学的に差別化⇒引き伸ばす前にピックアップ

今後のもくろみ

今後の方針• スキャニングシステムの構築

バックグラウンドラン⇒詳細なバックグラウンドの評価

　　　　　 100g ～ 1kg のプロトタイプで実験開始