銀河の回転曲線
最近の宇宙マイクロ波背景輻射
の観測
我々の銀河にも暗黒物質はある。
回転曲線の測定値
暗黒物質の
存在
速
度
見えている
物質から
期待される
回転曲線
http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm.html
中心からの距離
NASAが打ち上げたWMAP衛星が観測
宇宙全体に放射されているマイクロ波背景放射の揺
らぎの地図
銀河の中心からある距離だけ離れたところにある星の回転速度
回転速度は銀河内のどこにどれくらいの質量があるかがわか
れば計算できる
宇宙の揺らぎには宇宙の歴史、宇宙空間の物質につ
見ることが出来る星などの分布から考えた場合、中心からある
いての情報が含まれている
宇宙の年齢は137億年
見えてるものの5~6倍という大量の見えない物質
“暗黒物質”が存在している
程度離れると回転速度は遅くなっていくはず
実際に観測された速度は中心から遠く離れても遅くなっていな
い
見えない物質、暗黒物質が大量になければこの結果を説明で
きない
暗黒物質の直接観測
•
暗黒物質が原子核にぶつかった際に落とすエ
ネルギーを捉える。
XMASS実験
1tの液体キセノン
原子核
光電子増倍管
によって
蛍光を捕らえる。
暗黒物質
このエネルギーを捉える!!
直径80cm
暗黒物質は宇宙空間を秒速約230kmの速度で動いている
と考えられている。宇宙を飛び回るたくさんの他の粒子に比
べればこれは非常にゆっくりしている
なぜ液体キセノンを使っているのか
SKで観測しているエネルギーの1000分の1まで見ることがで
きる。
この速度であらゆるところを飛び回っている暗黒物質は、と
きどき原子核とぶつかり、小さなエネルギーを落とす。
同種の液体と比べて蛍光波長が長い (175nm、光電子増倍管
落とすエネルギーは非常に小さく、スーパーカミオカンデで
測定しているエネルギー下限の1000分の1程度しかない
衝突の頻度も非常に少ない、これまでの他の実験での測
定されている結果から考えると、XMASS検出器で観測され
るのは一日あたり~10個よりも少ない
で直に見ることができるので、光電子増倍管だけ設置すればよ
く、検出器を簡単な構造にできる)
密度が高く(~3g/cm3)、コンパクトに重い実験装置が作れる
(より重たい測定器ほど、より多くの暗黒物質が衝突する)
原子番号も大きく、観測のノイズとなる放射線を止める力が強
い。ノイズを大幅に減らすことが出来る
蒸留等などの方法で、実験中でも簡単に純化することができる
(わずかな汚れがノイズになり、測定の感度を低くしてしまう。き
れいな検出器は暗黒物質探索においてとても重要)
低温だが扱い易い温度 ( ー100℃(170 K))
低放射能光電子増倍管
XMASS検出器・概略
2重の容器(内部容器と外部容器)の中に検出
器が入っている
内部に入れる液体キセノンをマイナス100度に
保つために、真空の層による断熱が必要、内部
容器と外部容器の間を真空にする
放射性物質はノイズとなるため、検出器に使う光電子増倍
管は徹底した低放射能化が必要
検出器は60面体構造~650本の光電子増倍管
が取り付けられる
浜松ホトニクスと共同で部品、構造を改良して極低放射能
光電子増倍管を開発した
6角形PMT ~ 650本
従来のものの100分の1以下の放射能
蒸留による純化
液体キセノン
~1t
蒸留による精製装置の開発
キセノンに含まれるクリプトンは放射性不純物を含んでいる
ので、大きなノイズのもとになる。
蒸留装置を開発、このクリプトンの残量を1/1000以下にする
ことに成功している
内部容器
外真空容器
•
•
•
•
地下1000mに設置することで、ノイズとなる宇宙線の影響を減ら
す
外部から入ってくるガンマ線、中性子もノイズとなる、これらを止め
るために検出器の周囲を大きな水タンクで覆う。宇宙線についても
水タンクでさらに減らすことができる
外水槽にはスーパーカミオカンデで使われているのと同じ20イン
チの光電子増倍管をとりつけ、ノイズとなる粒子が光を出すのを捕
らえる。
液体キセノンの温度はタンク上に設置される冷凍機によってマイナ
ス100度に保たれる
タンク上には信号を読み出すための電子回路が入るエレクトロニク
スハットも設置される。
エレクトロニクス
ハット
XMASS検出器の検出感度
相互作用の強さ (衝突断面積pb)
•
-2
10
これまでの
実験の結果
-4
-4
10
理論が予想
する領域
CDMSII
XENON10
-6
10
XMASS1トン
-8
10
1
10
2
10
3
10
暗黒物質質量(GeV)
高さ10m
冷凍機
検出器
20インチPMT
•
•
•
•
外水槽タンク
直径10m
•
灰色の領域は理論で予想されている領域
赤い×で示されているのは特に可能性が高いと考
えられている領域
これまでの実験では見つかっておらず多くの実験で
上限値がつけられているだけ
過去の実験の最高感度の100 倍の感
度
XMASS実験により暗黒物質が発見さ
れる可能性が高い
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XMASS実験