液体キセノン中のチェレンコフ光の分光測定と大規模宇宙素粒子実験への応用

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本研究では，液体キセノン（LXe）中で発生する微弱なチェレンコフ光について，真空紫外（VUV）の約160nmから近赤外（NIR）の約1000nmまでの広い波長領域で分光測定してスペクトルを求める。そして得られたスペクトルの情報から，LXe中を高速走行する荷電粒子を弁別する可能性を議論し，LXeを大規模に用いる暗黒物質探索や２重β崩壊探索，太陽ニュートリノ観測など，高速の電子の発生を伴うイベントの弁別が有用と考えられる最先端の宇宙素粒子実験でのチェレンコフ光の利用を推進する。チェレンコフ光の分光測定は，LXeをチェッキングソースの放射線で励起して発するシンチレーション光を分光測定するためのVUV分光器と冷却CCDカメラを組み合わせた既存の実験系を流用して行なうが，チェレンコフ光はシンチレーション光の約100分の1の強度の微弱光のため，ノイズを十分に抑えシンチレーション光の寄与も正確に評価して差し引く必要がある。そこで，冷却CCDカメラについては熱ノイズとその揺らぎを正確に評価する。また，LXeを励起するチェッキングソースの放射線は，Sr90線源のβ線とCo57線源の低エネルギーのγ線とでチェレンコフ光の発生率が異なると予想されるので，それらによる両スペクトルを比較する。また，スペクトルの補正において波長較正と強度較正の精度も十分に上げる。初年度である今年度は，重水素光源とキセノンフラッシュ光源を用いたVUV-UV領域での波長較正手法を確立した他，VUV-NIRの広い波長域において透明な光学結晶（フッ化マグネシウム，フッ化バリウム，合成石英）で発生するチェレンコフ光を分光測定することで，測光系のSN比の向上と強度較正手法の検討を行なった。結果の一部は，実験装置を共用する液体キセノンの赤外発光の研究発表の一部として，2022年秋と2023年春に日本物理学会で発表した。