PDF Migdal効果検出に向けた 中性子ビームライン調査

Migdal 効果検出に向けた 中性子ビームライン調査

東野 聡

身内 賢太朗、水越 彗太、島田 拓弥 神戸大学

2020 / 12 / 9

Migdal観測検討会2020 @神戸大 1

イントロダクション : 戦略確認

•

ガス検出器に中性子を入射して

2

クラスター見る

➡ 大量の中性子を低バックグラウンドの環境で照射したい

➡ よさげな中性子ビーム施設があるか調査することにした

2

Fig. 1 Shcematis mechanism of the reactions related to the Migdal effect.

At the leading order, the probabilities of the Migdal effect are known to be proportional to the square of the momentum transfer to the Migdal electron q^e. Probabilities for a given q^e are calculated by scaling the values shown in Table 2 of Ref. [15] with (q^e/511 eV)². q^e is calculated as follows,

qe² = 2m²eE^NR

m^N , (1)

where m^e is the electron mass and m^N is the target nuclear mass. Table 1 shows the scaling factors for maximum recoil energies E_NR^max by an irradiation with 565 keV neutrons. Here E_NR^max is known by

ENR^max = 4mⁿm^N

(mⁿ + m^N)² Eⁿ. (2)

Here mⁿ is the neutron mass and Eⁿ is the neutron energy. It is seen that the scaling factor for argon is one order of magnitude larger than that for xenon because m^N is smaller and E^NR is consequently larger for a given energy of neutrons.

Expected event rates calculated for the experimental and physical conditions discussed so far are shown in the final row of Table 1. Here the event rate for the nuclear recoils associated with characteristic X-rays from the Migdal effect are shown. The rates (O(10² ∼ 10³) events/day) themselves without the consideration of any backgrounds are encouraging ones. In reality, the background rates without any reduction are much larger than these signal rates. It is one of the important points of this study to discuss a realistic method to discriminate background events with the event topologies, which will be discussed in Section 4.

It should be emphasized that our calculation and discussed measurement are only for the isolated atoms. For the application to the dark matter searches, it is also important to test the Migdal effect in the liquid medium.

3.2. Signal Simulation

A simple calculation showed an encouraging signal event rate as an ideal case. A more realistic Geant4 [22] Monte Carlo (MC) simulation study was then performed.

Four particles, listed as (1)∼(4) in the followings, are generated for the MC simulation.

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arXiv:2009.05939 (K. Nakamura)

ビームのエネルギー

• ( ある程度 ) 単色スペクトルの中性子ビームがほしい

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<latexit sha1_base64="5f0Kc0D77elMgoPqX7WrD2R1Vvs=">AAACH3icbVBbSwJBGJ21m9nN6rGXIQmCQHa1LIJAygdfAoO8gJrMjp86ODu7zMwGsvhPeumv9NJDEdGb/6bxApV2YOBwzvfxzTluwJnStj2yYkvLK6tr8fXExubW9k5yd6+i/FBSKFOf+7LmEgWcCShrpjnUAgnEczlU3f7N2K8+glTMF/d6EEDTI13BOowSbaRWMhc1pIcLhUtcgFCD9AU++aFX+CHKDotgtLGeTWdyDXwLlWErmbLT9gR4kTgzkkIzlFrJr0bbp6EHQlNOlKo7dqCbEZGaUQ7DRCNUEBDaJ12oGyqIB6oZTfIN8ZFR2rjjS/OExhP190ZEPKUGnmsmPaJ7at4bi/959VB3LpoRE4HJK+j0UCfkWPt4XBZuMwlU84EhhEpm/oppj0hCTT0qYUpw5iMvkkom7Zyl7bvTVP56VkccHaBDdIwcdI7yqIhKqIwoekIv6A29W8/Wq/VhfU5HY9ZsZx/9gTX6BhOBnzs=</latexit>

DD : Deuteron + Deuteron =

³

He + n + 3.26 MeV

<latexit sha1_base64="93WYkpZRHcPTFjbX9O1+ehiidCM=">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</latexit>

DT : Deuteron + Tritium =

⁴

He + n + 17.6 MeV e.g.

断面積の観点からすると…

検出器が許す限り

反跳エネルギーを大きくしたい

反跳エネルギー

原子核質量

<latexit sha1_base64="DgVnBJTVuGMF2Iy/mxNdGVytJDY=">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</latexit>

d

dE

_NR

/ q

_e²

= 2m

²_e

E

_NR

m

_N

<latexit sha1_base64="LR9QVwX4nhysVpczLrsadhg07Po=">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</latexit>

E

_NR^max

= 4m

_n

m

_N

(m

_n

+ m

_N

)

²

E

_n ^{10 cm3 の検出器だと}O(1 ~ 10) cm の反跳をする中性子を選べば良い

ガスや圧力によってだいぶ変わる

検出器 ( 物質 ) ごとによさげな中性子エネルギー

• 中村さんの論文 (arXiv:2009.05939) で使用している物質を例に 中性子エネルギーを考えてみた

➡ 検出器が10 cm3であると仮定すると、それ以下の飛跡であってほしい

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Ar gas [1.0 atm]

Xe gas [8.0 atm]

原子核質量 [GeV]

40 131

密度 [g/cm³]

1.8 × 10

^-3

1.8 × 10

^-2

反跳飛跡の長さ [cm]

10 10

反跳エネルギー [keV]

77 5000

中性子エネルギー [keV]

770 15000

スタートラインとして これを要求

ここまでは物質の性質

物質によってだいぶ異なる

バックグラウンド

• 実験室由来のガンマが支配的

➡ パルスビームで減るはず

➡ 真に中性子由来のBG削減は困難

‣ アイデアはあるが一旦省略

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時間

レート

DC beam

BG

Sig

時間

レート

Pulse beam

BG Sig

ビームがきたタイミング だけ見ればOK!

注意：ターゲット 由来のγ BGもある

Migdal 検出に向けた中性子ビームライン調査

• 理想的には …

➡

O(100) keV

以上の単色スペクトル中性子

➡ パルスビーム

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そのようなビームは簡単に見つからない…

e.g. J-PARK MLF

用途の違いにより冷やして しまうところが多い (偏見?)

ビームライン探し

• エネルギーを優先、パルスビーム以外もピックアップ

➡

低 BG 環境であれば問題はないはず

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ビームライン探し

• エネルギーを優先、パルスビーム以外もピックアップ

➡

低 BG 環境であれば問題はないはず

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産総研： 20 MeV までのビーム (DC)

理研： RANS/RANS-II 5 / 0.7 MeV パルスビーム KEK ： DT ジェネレータ

京大： KUANS

O(100) keV? パルスビーム

理研： RANS / RANS-II

• RFQ加速器を用いたパルスビーム

• https://www.riken.jp/press/2019/20191118_4/index.html

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RANS-II

2019年12月24日量子ビーム利用推進小委員会 大竹氏のスライドより

京大： KUANS

• 理研同様⁹Beターゲット

➡ 最大1.6 MeVくらいはエネルギーありそう

• こちらもパルスビーム、パルス幅や周期などは不明

• http://phi.phys.nagoya-u.ac.jp/JCANS/kuans-j.html

➡ 写真を見た感じだとちょっとモノが多い。そもそもチェンバー置かせてもらえるか？

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産総研

• いろいろなビーム源 ( すべて DC)

• 過去に NEWAGE グループがビーム テスト実施した経験あり

➡ 島田氏

(

神戸大

)

が解析、午後に発表

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KEK

• DT ジェネレータ (17.6 MeV 単色 DC)

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モノは少ないので低 BG ？

一番手軽なところではある ( 私見 )

まとめ

• 情報求む！

➡

理研の RANS / RANS-II 、京大の KUANS のパルスビーム

‣ これらは外部の人間が使えるものなのか？

‣ 誰に相談したらよいか？

➡

国内の他のビームライン

‣ 加速器屋さんにも相談→知り合いのツテを辿ってみる

➡

国外にもチャンスはある？

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議論

• どう実験をプロポーズしていくか

➡ まず加速器ありきでセットアップを考えるのもアリだと思う

‣ 数MeVのパルス中性子ビームがありそう

- ガスに何を選ぶか、圧力は？などなどを考えていく

• DC の場合どれだけ BG がひどいか

• ビームエネルギーと BG の関係は？

➡ 島田氏

(

神戸大

)

による解析報告あり。このあとすぐ

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