本計画研究は、国際的な活動のもと、大型で高感度な検出器による暗黒物質探索を行う。暗黒物質は本新学術研究のテーマである、宇宙と物質の歴史において重要な役割を果たしており、素粒子物理学・宇宙物理学の中でも喫緊の課題である。

　本計画研究の中心的な活動である XENONnT 実験では、約 6ton の液体キセノンをターゲットとした検出器を 2019 年から稼働させ、暗黒物質がキセノン原子核を反跳する現象を捉える。これまでよりも１ 桁程感度を向上させて暗黒物質の発見を狙うが、検出器素材中に含まれる放射性不純物からの中性子を暗黒物質と見間違う可能性がある。中性子事象識別の鍵となるのが、計画研究 C01 と連携することで可能となる、神岡地下で培われた「ガドリニウム水」の技術である。これにより、XENONnT 検出器の予定感度である反応断面積 2×10^-48cm² を達成する。

　さらに、計画研究 D01 と連携しラドン低減に貢献し、検出器のさらなる高感度化を果たす。E01 班との連携により、理論の予言する複数種類の暗黒物質の探索を行い、大発見を目指す。また、XENONnT 検出器のキセノンは ¹³⁶Xe を 500kg ほど含み、エネルギー分解能も高いため、 ニュートリノの出ない二重ベータ崩壊探索実験も推進する。それにより A01, 02 班との連携を図る。

　既存の XMASS 実験によるデータは、2013 年からおよそ 5 年間にわたる。過去にも多種多様な暗黒物質探索（低質量 WIMP, 季節変動、KK アクシオン、非弾性散乱等）が行われ、多数の論文が出版されている。本新学術においても、全データを用い、さらにはあらたな較正データに基づいた探索も行う。データ管理と論文の出版に努める。

　また、XENONnT 実験で暗黒物質の兆候がみられた場合、将来より高感度な検出器による暗黒物質の性質の解明も必要となる。そのために本計画研究においても新たな技術開発に基づいた低 BG 化や赤外線発光を用いた粒子種同定の評価を行う。

メンバー

[代表]

森山茂栄　Shigetaka, MORIYAMA

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東京大学　教授　宇宙素粒子実験
統括

[分担]