XENONnT実験による最初のWIMP暗黒物質探索の結果
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XENONコラボレーション
東京大学宇宙線研究所 (ICRR)
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)
名古屋大学素粒子宇宙起源研究所 (KMI)
名古屋大学宇宙地球環境研究所 (ISEE)
神戸大学大学院理学研究科
東京大学宇宙線研究所（ICRR）をはじめ、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU）、名古屋大学素粒子宇宙起源研究所（KMI）、名古屋大学宇宙地球環境研究所（ISEE）、神戸大学が参加する、米国・欧州・日本を中心とした国際共同実験XENONコラボレーション(＊注1）は、現在稼働している暗黒物質探索実験であるXENONnT実験において、暗黒物質Weakly Interacting Massive Particle（WIMP）（＊注2）探索の最初の結果を公表し、2018年に前身実験のXENON1T実験が報告した制限を大きく更新する結果を得た、という報告を行いました。本結果は、XENONコラボレーションが、日本時間3月22日22時30分に、イタリア国立物理学研究所グラン・サッソ研究所で開催した特別セミナーで報告されました。
<発表の概要>
宇宙の質量の大半を担う暗黒物質、その候補と考えられている未知の素粒子WIMP（相互作用の弱い重い素粒子）の直接検出を目指すXENONコラボレーションは、プロジェクトの最新段階であるXENONnT実験における最初のWIMP暗黒物質の探索結果を公表しました。4.4トンの液体キセノンを97.1日間観測した（１トンの液体キセノンを１年間観測したことに相当する統計量をわずかに上回る）初期データについて、ブラインド解析（＊注3）を行った結果、データは背景事象のみを含むと考えて矛盾しないことが示されました。この結果、WIMPと通常の物質との相互作用の大きさについて新たな制限を得ました。今回の初期データは、前身のXENON1T実験が取得したデータと同程度の統計量ながら、背景事象を５分の１に減らしたことによって、結果を大幅に改善することができました。
<発表の内容>
XENONnT実験は、前身のXENON1T実験よりも10倍高い感度で暗黒物質を探索できるように設計されました。検出器の中核をなすのは、直径・高さ1.5mの円筒形の気体・液体キセノンからなる２相式キセノン”タイムプロジェクションチェンバー”（TPC）で、−95℃に保たれた超高純度液体キセノンで満たされています。検出器の運転に必要な総重量8.6トンのうち、5.9トンのキセノンが、暗黒物質と弾性散乱し、同時にその信号を検出するアクティブ標的（＊注4）として使われます。検出器は、イタリア・グランサッソ国立研究所（INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso）の地下約1,400m深くに設置された水チェレンコフ型反同時ミューオンおよび中性子検出器の中に収められています。XENONnT検出器は、2020年春から2021年春にかけて建設され、その後試運転を行い、2021年7月6日から11月10日までの97.1日間に、この最初の観測データを取得しました。
WIMPとの相互作用により液相中のキセノン原子が反跳され、微弱なシンチレーション光（＊注5）と少量の電離電子が発生します。後者は印加電場によって検出器の上方へ誘引され、さらに一段高い電場により液相から気相へ引き出されて第２のシンチレーション光を発生します。ふたつの光信号は超高感度光センサーにより検出され、反跳エネルギーと反応点の三次元的位置を事象ごとに得ることができます。
暗黒物質の探索実験では、背景事象を発生する天然の放射線源を極限まで減らす必要があります。キセノン内部、検出器の部材、あるいは外部からの放射線が背景事象源となりますが、その中でも特にラドン（＊注6）は、検出器部材から常に放出され削減するのは極めて困難です。XENONコラボレーションではXENONnT検出器の建設にあたり、ラドンの発生源となる放射性不純物を極力排除するために徹底的な部材選定を行うと共に、キセノン中に含まれるラドンを常時除去するオンラインキセノン蒸留システムを導入し、検出器中のラドンをこれまでになく低いレベルに抑えるために先駆的な技術開発を行ってきました。
もう一つの重要な放射性背景事象は、検出器部材中の放射性源により発生する中性子に寄るものです。XENONnTでは新たに導入した、水槽中のキセノン断熱真空容器を取り囲むように設置された中性子反同時検出器により、中性子由来のWIMP背景事象を識別し取り除くことで、その影響を低減しています。またこれらに加え、XENONnT検出器は稀な反応に対してあまりに高感度であることから、最も検出が難しい素粒子の一つである(太陽・大気中から飛来する)ニュートリノですら、背景事象の一つとして考慮されています。
このような成果から、XENONnTは短い時間でとられた初期データにによって、前身実験で得られた制限を向上することに成功しました。
XENONnTは、オンラインキセノン蒸留システムの改良などさらなる検出器のアップグレードによる背景事象の低減を行い、今後の数年間で暗黒物質WIMP探索感度を向上させながらデータ取得を続けます。
XENONプロジェクトの詳細については、こちらのページをご覧ください。
<宇宙線研究所の貢献>
本研究には、宇宙線研究所から森山茂栄教授（宇宙線研究所附属神岡宇宙素粒子研究施設、カブリ数物連携宇宙研究機構、次世代ニュートリノ科学連携研究機構）、竹田敦准教授（同左）、安部航助教（同左）、神長香乃（宇宙線研究所附属神岡宇宙素粒子研究施設、東京大学理学系研究科）が参加しています。この4人を含むグループがXENONnT実験で研究している目的は、まさに今回発表となったテーマである暗黒物質を直接検出し、正体を解き明かすことです。
XENON実験では、様々な種類の暗黒物質をこれまでにない感度で探索することが可能な検出器を建設し、運転することに成功しています。今回は、XENON実験の主目的である、弱く相互作用する質量のある粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP)の探索の最初の結果を報告したものです。WIMPは暗黒物質候補の中でも、とりわけ有力な候補です。森山教授は「新しい高感度の装置がいよいよ本格始動したことを示す成果です。この装置では、暗黒物質が稀に衝突してくる現象を探すために、装置の内部に大量の物質を用意して待つ必要があります。今回の装置では、前進の装置に比べ、4.4倍の物質を用意したたけでなく、暗黒物質のノイズも5分の1に減らすことに成功しました。これにより、時間をかけて観測を続けることで、暗黒物質が実際に衝突してくる現象をより感度良く観測することが可能となります。これまでのところ、暗黒物質がそのような衝突を生じるような粒子であるかどうかも分かっていないので、衝突現象が観測されれば素粒子物理学や宇宙物理学にとって重要な成果を生み、新しい研究分野を切り拓くことになります。我々宇宙線研メンバーは暗黒物質の直接観測を目指して、観測の邪魔になるノイズをさらに減らすために、スーパーカミオカンデで開発されたユニークな技術をXENON実験に取り入れて、発見の切り札を与えることに大きく貢献しています。この技術は、今回のデータ解析にも利用していますが、これから数年間データを取得する間に、その実力をさらに発揮することが期待されます。引き続きXENON実験の成果に注目ください。」とコメントしています。
XENONコラボーションには、日本から名古屋大学、東京大学、神戸大学の３機関が参加しています。XENONnT実験の遂行にあたっては、SK-Gd実験の経験を活かしたガドリニウム水チェレンコフ検出技術を用いた中性子反同時検出器や、XMASS実験で培った液体キセノン純化システムへの貢献を行っているほか、データ解析の責任者として、今回のデータ解析結果のとりまとめに活躍しています。
※日本グループの XENON1T 及び XENONnT 実験に関わる活動は、日本学術振興会・科学研究費助成事業 (18H03697, 18KK0082, 19H05802, 19H05805, 19H00675, 19H01920, 21H05455, 21H04466, 21H04471, 22H00127) 、同研究拠点形成事業、及びJST創発的研究支援事業(JPMJFR212Q)の支援を受け行われています。
（参考 URL）: XENONコラボレーションによるプレスリリース（英語版）
(発表雑誌)
論文タイトル：First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment
著者： XENON Collaboration
プレプリント: xenonexperiment.org
（Physical Review Letters誌に投稿中）
(用語解説)
注 1. XENON コラボレーション 米国・ヨーロッパ・日本を中心とした12カ国27機関の約180人の研究者から構成される。日本からは、東京大学・名古屋大学・神戸大学が参加している。
注 2. Weakly Interacting Massive Particle（WIMP） 素粒子的な暗黒物質として、相互作用が弱く重い質量を持つ未知の素粒子の総称。その質量や相互作用など詳しい性質はわかっていない。素粒子の標準模型を超える理論のひとつ、超対称性理論が予言する超対称性粒子が有力な候補のひとつ。
注 3. ブラインド解析 データ解析において、事象選別など全ての準備が終了するまで観測データを見ずに解析を行う手法。解析者による無意識のバイアスを避け、解析結果の信頼性を高めるために用いられる。
注4. アクティブ標的 素粒子が反応を起こす標的となると同時に、その反応を検出して信号を出すタイプの検出器。
注 5. シンチレーション光 放射線による電離等によってエネルギーを与えられた原子・分子が、励起した後に脱励起する際に放出される光。
注 6. ラドン ラドンは、ウランから始まる壊変（ウラン系列）に属し、ラジウム226の壊変により生成される希ガス元素。存在する元素の同位体は、すべて放射性で安定核種が存在しない。半減期は約3.8日で、崩壊後に発生する娘核である鉛214がさらに崩壊して放出するベータ線が観測における背景ノイズとなる。検出器の部材にわずかに含まれる放射性不純物から生成されているが、キセノンと同じ希ガス元素であることから除去することも難しい。
関連リンク
暗黒物質探索実験XENONnTによる最初の新物理探索の成果 (2022/7/22)
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