LZ実験
LUX-Zeplin（LZ）実験
実験
国アメリカ合衆国
州サウスダコタ州
WebサイトLZ暗黒物質実験

LUX -ZEPLIN（LZ）実験は、弱く相互作用する巨大粒子（WIMP）が原子核に散乱する現象を観測することを目的とした次世代暗黒物質直接検出実験である。 [ 1 ]この実験は、 LUXグループとZEPLINグループを統合して2012年に発足した。現在、米国、英国、ポルトガル、韓国の30の研究所が共同で実施している。実験はサウスダコタ州サンフォード地下研究施設（SURF）の地下約1,500メートルに設置されており、[ 2 ]米国エネルギー省（DOE）のローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所） によって管理されている。

この実験では、7トンの液体キセノンで作られた超高感度検出器を用いて、WIMPと原子核の相互作用の信号を探します。これは、10 GeV/c 2を超えるWIMPの直接検出を先導する3つの実験のうちの1つであり、他の2つはXENON実験とPANDAX -4T実験です。

2015年春、LZは「重要決定ステップ1」またはCD-1審査に合格し、公式のDOEプロジェクトとなった。[ 3 ]米国エネルギー省当局は2020年9月21日にLZのプロジェクト完了を正式に承認した。DOEのプロジェクト完了マイルストーンは、重要決定4、またはCD-4と呼ばれている。[ 4 ]

2024年、LZの結果では、9ギガ電子ボルト/c2（GeV/c2）を超える質量のWIMPの証拠は見つかりませんでした。[ 5 ]

低バックグラウンド検出器としてのLZ

WIMP-原子核散乱を決定的に特定するには、LZは活性体積内での極めて微小なエネルギー沈着を観測できなければなりません。しかし同時に、真のWIMP散乱とバイアスによって引き起こされる他の相互作用を区別することも必要です。これらの既知の「背景」の例としては、環境中の微量放射能によって生成されるガンマ線との相互作用、環境中で生成される中性子との相互作用、上層大気で生成される宇宙線ミューオンとの相互作用などが挙げられます。暗黒物質探索の2つの目標は、これらの背景相互作用の数を最小限に抑えることと、発生した相互作用がWIMPではなく背景からのものであることを特定できるようにすることです。

まず、最も内側の検出器は、二相キセノン時間投影箱（TPC）で構成されています。[ 6 ] [ 7 ]この検出器は、WIMP-原子核散乱の標的です。次のセクションで説明するように、この検出器はキセノン内での相互作用の位置を3次元的に再構成できます。これにより、検出器の周辺部（側面、上面、下面）付近で発生するバックグラウンド相互作用を識別し、除去することができます。これらの周辺相互作用は、外部ガンマ線または中性子、およびTPCとクライオスタットを構成する検出器コンポーネント内の微量放射性核種の放射性崩壊に起因する可能性が圧倒的に高いです。さらに、液体キセノンの比較的高い密度により、TPCはある程度の「自己遮蔽」が可能です。TPCに入射するガンマ線（中性子）は、散乱して停止するまでにわずか数センチメートル（10センチメートル）程度しか移動できません。その結果、検出器の最内腔にはこれらの背景の多くはほとんど存在しません。この最内腔、つまり「基準空間」は非常に静粛であるため、他の背景からのWIMP散乱の観測に非常に敏感であり、LZによるWIMPの探索が行われる空間でもあります。

次に、TPC は、外部ガンマ線および中性子の発生率を減らすため、数層のアクティブおよびパッシブ遮蔽の内側に配置されています。TPC は内側クライオスタットに収められており、キセノンを液相に保つために必要な温度 (約 178K) を維持します。この内側クライオスタットは、より大きな外側クライオスタットの中に入れられており、キセノンへの熱伝達を制限するのに役立ちます。外側クライオスタットの外側には、液体シンチレータを入れたアクリル製のタンクのセットがあります。このシンチレータは、より効率的に中性子を捕捉できるようにガドリニウムが充填された液体アルキルベンゼン (LAB) です。 [ 6 ]ガンマ線または中性子が TPC 内で一度散乱してから外に出ると、シンチレータにもエネルギーが蓄積される可能性があります。これらのエネルギーの蓄積は光子の放出を伴い、アクリル製のタンクの外側にある光電子増倍管 (PMT)のアレイで検出できます。このような信号をTPCでの散乱と同時に観測することにより、WIMPの散乱のように見える可能性のあるTPC内のバックグラウンドを除外することが可能になる。これは、ガンマ線よりも透過性が高く、WIMPと同様に（キセノンの原子電子ではなく）キセノン原子核で散乱する中性子にとって特に重要である。外側の検出器PMTアレイは、より大きな水槽内に配置されている。水槽と液体シンチレータは一緒に、外部のガンマ線と中性子に対する強力なパッシブシールドを提供し、TPCに入る前にそれらの大部分を阻止する。アセンブリ全体は、SURFのデイビス洞窟の地下約1マイルに位置している。[ 8 ]この地下の場所は、地表に比べてTPCに入る宇宙線ミューオンの割合を大幅に減らす岩盤を形成している。これらすべての異なる戦略を組み合わせることで、LZ はキセノン原子核上の暗黒物質散乱を非常に高感度に探索できる検出器になります。

LZの内部検出器：デュアルフェーズTPC

二相キセノンTPCの動作原理を示す簡略図。相互作用中にS1光（緑）とS2光（青）が生成され、それぞれの一部が検出器の上部と下部にあるPMTアレイで観測される。この図は縮尺どおりではなく、LZの各アレイには4個以上のPMTが搭載されている点に留意されたい。

LZの中心にある検出器は、円筒形の二相キセノン時間投影チャンバー（TPC）です。[ 9 ]これは、7トンの液体キセノンターゲットとその上の小さな気体キセノン領域で構成されています。動作原理は次のとおりです。WIMPまたは背景散乱が発生すると、キセノン原子核（または原子電子）に少量の運動エネルギーが与えられます。これにより、キセノン原子は散乱部位付近の領域を跳ね回り、そのエネルギーを即発シンチレーション光子、自由電子（イオン化電子）、および熱の生成に変換します。多数の即発シンチレーション光子は、検出器の上部と下部にある光電子増倍管（PMT）によって検出されます。イオン化電子は外部から印加された電界内で上方に漂い、液体表面に到達するとガスに引き込まれ、より強い電界内で発光します。この発光によって遅延された「S2」信号が生成されます。外部から生成される電界は、4つの高電圧電極グリッド（底部、陰極、ゲート、陽極）によって生成されます。[ 10 ]

S1とS2を組み合わせることで、キセノン内での相互作用の位置を正確に3Dで再構築できます。S2は上部PMTアレイの非常に近くで発生するため、それだけで相互作用がXY方向（つまり検出器軸に対する相対位置）のどこで発生したかを正確に把握できます。即発S1と遅延S2の時間差は、相互作用の深さの代理指標となります。つまり、特定の電界におけるキセノン中の電子のドリフト速度を用いることで、ドリフト時間を物理的な深さ、つまりZ位置に変換できます。このXYZ位置を組み合わせることで、感度の高いWIMP探索のための静かな内部基準体積を特定できます。また、WIMPのような単一サイト相互作用と、中性子やガンマ線などによる背景のような複数サイト相互作用を区別することも可能になります。

MicroBooNEのようなニュートリノ実験で使用されるものなどの他の種類の時間投影チャンバーとは異なり、ここでのイオン化信号は S2 光を介して完全に捕捉され、電極によって電流が直接測定されることはないことに注意してください。

LZのWIMP検索

2023 年 7 月に LZ 実験で報告された、選択された実験からの WIMP-核子弾性断面積の上限。

2022年7月、LZ共同研究グループは、約60日間分のライブデータを使用して、スピン非依存WIMP-核子散乱断面積の最初の上限をプレプリントで発表しました。[ 11 ] [ 12 ]

2023年7月28日、LZ実験によるWIMP探索の最初の結果が、以前はプレプリントとして公開されていたが、Physical Review Lettersに掲載された。[ 13 ] 9.2 × 10を超える断面積は除外されている。36 GeVで90%の信頼度で-48 cm 2 [ 14 ] 、 XENONも同日に共同で、断面積2.58 × 1028 GeVでは90%の信頼度で−47 cm 2である。 [ 15 ] 2024年8月26日時点で、実験は280日間（1,000日を目標）稼働していたが、「暗黒物質」の証拠は見つからなかったものの、その特性の制限はこれまでより厳しくなっている。 [ 16 ]

参考文献

  1. ^トゥーミー、エミリー（2020年2月3日）「新世代の暗黒物質実験、捉えどころのない粒子の探査に向けて準備万端」スミソニアン・マガジン。 2021年4月11日閲覧。
  2. ^ LZラボ技術者（材料実験技術者）「サウスダコタ鉱山技術学校」のHigherJobEd
  3. ^ LZ暗黒物質実験のウェブページへようこそ
  4. ^ 「地下暗黒物質探査実験にとって大きなマイルストーン」 2020年10月26日。2020年11月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  5. ^ Fell, Andy (2024年8月26日). 「LZ実験、暗黒物質探査で新記録を達成」 .カリフォルニア大学デービス校. 2024年12月27日閲覧。
  6. ^ a b Akerib, DS; et al. (2020). 「LUX-ZEPLIN (LZ)実験」.核物理学研究における計測・分析法 セクションA：加速器、分光計、検出器および関連機器. 953 163047. arXiv : 1910.09124 . Bibcode : 2020NIMPA.95363047A . doi : 10.1016/j.nima.2019.163047 . S2CID 204800748 . 
  7. ^ Mount, BJ; et al. (2017). 「LUX-ZEPLIN (LZ) 技術設計レポート」. arXiv : 1703.09144 [ physics.ins-det ].
  8. ^ 「デイビスキャンパス | サンフォード地下研究施設」sanfordlab.org . 2025年11月15日閲覧。
  9. ^ Akerib, DS; et al. (2020). 「LUX-ZEPLIN (LZ)実験」.核物理学研究における計測・分析法 セクションA：加速器、分光計、検出器および関連機器. 953 163047. arXiv : 1910.09124 . Bibcode : 2020NIMPA.95363047A . doi : 10.1016/j.nima.2019.163047 . S2CID 204800748 . 
  10. ^ Linehan, R.; Mannino, RL; Fan, A.; Ignarra, CM; Luitz, S.; Skarpaas, K.; Shutt, TA; Akerib, DS; Alsum, SK; Anderson, TJ; Araújo, HM (2022-05-11). 「LZ二相キセノン時間射影チャンバー用高電圧電極グリッドおよび電子抽出領域の設計と製造」 .核物理研究における計測機器および方法 セクションA：加速器、分光計、検出器および関連機器. 1031 165955. arXiv : 2106.06622 . Bibcode : 2022NIMPA103165955L . doi : 10.1016/j.nima.2021.165955 . ISSN 0168-9002。OSTI 1798801。S2CID 235422518。   
  11. ^ 「超高感度暗黒物質探査では、まだその物質の兆候は見つかっていない」 2022年7月7日。
  12. ^ 「世界で最も高感度な暗黒物質検出器がデータ収集を開始 | インペリアル・ニュース | インペリアル・カレッジ・ロンドン」インペリアル・ニュース2022年7月7日 . 2022年7月7日閲覧。
  13. ^ Day, Charles (2023-07-28). 「WIMPの探索は続く」 . Physics . 16 (4): s106. arXiv : 2207.03764 . Bibcode : 2023PhRvL.131d1002A . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 . PMID 37566836 . 
  14. ^ LUX-ZEPLIN共同研究; Aalbers, J.; Akerib, DS; Akerlof, CW; Al Musalhi, AK; Alder, F.; Alqahtani, A.; Alsum, SK; Amarasinghe, CS; Ames, A.; Anderson, TJ; Angelides, N.; Araújo, HM; Armstrong, JE; Arthurs, M. (2023-07-28). 「LUX-ZEPLIN (LZ)実験による初のダークマター探索結果」 . Physical Review Letters . 131 (4) 041002. arXiv : 2207.03764 . Bibcode : 2023PhRvL.131d1002A . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041002 . PMID 37566836 . 
  15. ^ XENONコラボレーション; Aprile, E.; Abe, K.; Agostini, F.; Ahmed Maouloud, S.; Althueser, L.; Andrieu, B.; Angelino, E.; Angevaare, JR; Antochi, VC; Antón Martin, D.; Arneodo, F.; Baudis, L.; Baxter, AL; Bazyk, M. (2023-07-28). 「XENONnT実験による核反跳粒子を用いた初の暗黒物質探索」 . Physical Review Letters . 131 (4) 041003. arXiv : 2303.14729 . Bibcode : 2023PhRvL.131d1003A . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.041003 . PMID 37566859。 
  16. ^ローレン・ビロン：「LZ実験が暗黒物質の探索で新記録を樹立」バークレー研究所からのニュース。
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