【論文紹介】中性子を用いたキセノン原子核散乱の発光時定数の測定 2019年7月13日

ダークマターの有力な候補の一つにWeakly Interacting Massive Particles (WIMPs)と呼ばれる、プラスやマイナスといった電荷を持たず、通常の物質とほとんど反応しない粒子が考えられています。このWIMPsはXMASS実験で用いている液体キセノンのキセノン原子核とまれにぶつかり、発光すると考えられます。このように原子核とぶつかる反応を原子核散乱と呼んでいます。一方、検出器やその周りにある部品中に含まれる放射性不純物によって発生するガンマ線が液体キセノンに入った時には、キセノンの軌道電子と反応し、それによって発光します。このような反応を電子散乱と呼んでいます(図1)。

図 1: 原子核散乱と電子散乱の模式図

一般にこのような発光は、散乱が生じた瞬間から発光の強度が指数関数的に減少することが知られています。発光の大きさが最初の大きさの約36.8%になるまでの時間を発光時定数と言います。液体キセノンの発光の場合には、時定数の短い成分と長い成分の2成分が足し合わさっていることが知られています。先行研究から時定数の短い成分の発光時定数は約数ナノ秒、長い成分の発光時定数は約25ナノ秒程度と考えられており、短い成分と長い成分の発光量の比は原子核散乱と電子散乱で異なることが知られています。その比を観測することで液体キセノン内で起こった反応がどちらの散乱によるのかの区別に用いることが出来ます。

XMASS実験ではこれまでにガンマ線源を用いた電子散乱の発光時定数の結果を発表しています(リンク)。本研究では、WIMPsと同様に原子核散乱を起こす中性子を放出するカリフォルニウム252 (252Cf)線源を用い、発光時定数の長い成分の時間情報と、短い成分と長い成分の発光量の比を測定しました。252Cfは自発的核分裂反応を起こし、1回の自発的核分裂あたり平均3.7個の中性子と8本のガンマ線が同時に発生します。 この線源を組み込んだ線源装置を、XMASS検出器容器のすぐ外側まで伸びている配管の中にセットしました(図2)。

図 2:(左)XMASS実験の水タンクの中の写真。中性子線源導入用配管があり、この配管の中に右図にある光電子増倍管、プラスチックシンチレータと252Cf線源を組み合わせたセットアップを導入し、データを取得しました。

252Cf起源の信号は、XMASS検出器で中性子による発光だけではなく、線源装置内のプラスチックシンチレータも252Cf起源のガンマ線によって発光します。そのため、XMASS検出器とプラスチックシンチレータで同時に発光したイベントを探すことで中性子が原子核を散乱したイベントを選び出すことが出来ます。

次に選び出した中性子による原子核散乱のイベントを用いて、液体キセノンの発光を検出するセンサー(光電子増倍管)が発光を検出した時間分布を見てみました。図3(左)はある1イベントに対して、ある1本の光電子増倍管が光を検出した波形を示しています。赤いピークのそれぞれが光子を検出した信号を示しています。この情報を全イベント、XMASS検出器の642本の光電子増倍管で足し合わせて液体キセノンの発光の時間分布を求めました(図3右黒点)。シミュレーションでも計算機上で252Cfと同じエネルギー分布を持つ中性子をXMASS検出器に入射し、原子核散乱のイベントを選び出し、発光時定数と早い成分の割合を変化させて実際のデータの発光の時間分布を再現するパラメータを調べました(図3右赤点線)。

図 3:左図は中性子によるある1イベントでのある1本の光電子増倍管での取得した波形。三角印のところにピークをもつ、合計4個の赤いピークのそれぞれが光子が検出されたことを示している。 右図の黒色のヒストグラムは、中性子による全イベントの全光電子増倍管で検出したピークの時間分布を示している。全イベントで足し合わせる時、XMASS実験でのデータ取得系に併せて4番目に早いピーク位置を0nsのところにシフトしている。赤色はデータと最も合う発光時定数を用いたシミュレーションでのピークの時間分布で、発光の長い成分の寄与のみを描いたのが緑色、短い成分の寄与のみを描いたのが青色のヒストグラムである。

最終的に得られた発光時定数の情報を他実験と比べてみたのが図4と図5です。図4のように時定数の長い成分の発光時定数は原子核散乱と電子散乱で変わらず(約27ナノ秒)、図5のように全体の発光量の中で発光時定数の短い成分に含まれる発光量の割合は大きく変わる(電子散乱では約15%、原子核散乱では約25%)ことが分かりました。 今回の結果ではXMASS実験の1keVあたり15光電子という大発光量のおかげで、1.5 keVという世界の他の実験では到達できていない最も低いエネルギーしきい値で原子核散乱の発光時定数を測定することが出来ました。原子核散乱と電子散乱の区別に関して、今回得られた中性子の発光時定数と実験データの各事象の発光時定数を比較することで、5—10 keVのエネルギー領域では興味がある原子核散乱の事象を50%残しつつ、放射線不純物による電子散乱の事象を約13%にまで低減でき(図6)、暗黒物質探索の感度が向上することが分かりました。

図 4:今回得られた長い成分の発光時定数の測定結果(赤い四角。赤い実線の縦方向は誤差を示し、横方向は今回の測定で使ったエネルギー範囲を示す)。 XMASS実験では先行研究としてガンマ線源を用い、電子散乱での発光時定数の測定結果を発表しており、赤点線のグラフで示されている。先行研究と本研究で電子散乱と原子核散乱と異なった反応であるものの、長い成分の発光時定数は誤差の範囲で一致している。 LUX、Hogenbirk(黄、青、赤紫)と書かれている点は他実験グループの原子核散乱の測定結果であり、液体キセノンに電場をかけて測定している。本研究の結果がこれらの実験結果と離れているのはこの電場の有無が影響していると考えられ、電場を弱めると長くなっているのがHogenbirk 0.5 kV/cm(赤紫)とHogenbirk 0.1 kV/cm(青)のグラフから分かる。 また、他実験で電場をかけていない測定結果(Akimov、灰色)と今回の結果とは一致している。
図 5 今回得られた全体の発光量の中で発光時定数の短い成分に含まれる発光量の割合についての測定結果(赤い四角。赤い実線は誤差を示す)。 図4と同じく先行研究のガンマ線源を用いた、電子散乱での発光時定数の測定結果は赤点線のグラフで示されている。LUX、Hogenbirk(黄、青、赤紫)と書かれている点は他実験グループの結果であり、液体キセノンに電場をかけて測定している。発光量の割合は原子核散乱(約25%)と電子散乱(約15%)で大きく異なる。
図 6 今回得られた発光時定数を基に作られた、事象が原子核散乱らしいか電子散乱らしいかを求めるパラメータの分布。シミュレーションで作成した原子核散乱(赤色のヒストグラム)の分布ではプラスの値を主に持ち、原子核散乱らしいと判別されている。一方、電子散乱(青色のヒストグラム)では主にマイナスの値を持ち、電子散乱らしいと判別されている。黒点線の位置より右側の事象だけを選び出すと、原子核散乱の事象を50%残しつつ、放射線不純物による電子散乱の事象を約13%にまで低減できることが分かった。