研究者詳細 - 小林　雅俊

写真a

コバヤシ　マサトシ

小林　雅俊

KOBAYASHI Masatoshi

所属

素粒子宇宙起源研究所現象解析研究部門特任助教

論文 38

WIMP Dark Matter Search Using a 3.1 Tonne-Year Exposure of the XENONnT Experiment Open Access

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Martin, DA; Armbruster, SR; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-Garcia, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Deisting, A; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; El Morabit, S; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fuchs, D; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Girard, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kharbanda, P; Kobayashi, M; Koke, D; Kooshkjalali, K; Kopec, A; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Liang, Z; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Liu, M; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Lucchetti, GM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Merz, J; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Mora, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Muller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; Garcia, DR; Rajado, M; Ravindran, A; Razeto, A; Singh, R; Sanchez, L; Dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Stevens, A; Szyszka, C; Takeda, A; Takeuchi, Y; Tan, PL; Thers, D; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tonnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, J; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhao, Y; Zhong, M

PHYSICAL REVIEW LETTERS 135 巻 ( 22 ) 頁： 221003 2025年11月

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記述言語：英語出版者・発行元：Physical Review Letters

We report on a search for weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter (DM) via elastic DM-xenon-nucleus interactions in the XENONnT experiment. We combine datasets from the first and second science campaigns resulting in a total exposure of 3.1 tonne-years. In a blind analysis of nuclear recoil events with energies above 3.8 keVNR, we find no significant excess above background. We set new upper limits on the spin-independent WIMP-nucleon scattering cross section for WIMP masses above 10 GeV/c2 with a minimum of 1.7×10-47 cm2 at 90% confidence level for a WIMP mass of 30 GeV/c2. We achieve a best median sensitivity of 1.4×10-47 cm2 for a 41 GeV/c2 WIMP. Compared to the result from the first XENONnT science dataset, we improve our sensitivity by a factor of up to 1.8.

DOI： 10.1103/msw4-t342

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The XLZD Design Book: towards the next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics Open Access

Aalbers, J; Abe, K; Adrover, M; Maouloud, SA; Akerib, DS; Al Musalhi, AK; Alder, F; Althueser, L; Amaral, DWP; Amarasinghe, CS; Ames, A; Andrieu, B; Angelides, N; Angelino, E; Antunovic, B; Aprile, E; Araújo, HM; Armstrong, JE; Arthurs, M; Babicz, M; Baker, A; Balzer, M; Bang, J; Barberio, E; Bargemann, JW; Barillier, E; Basharina-Freshville, A; Baudis, L; Bauer, D; Bazyk, M; Beattie, K; Beaupere, N; Bell, NF; Bellagamba, L; Benson, T; Bhatti, A; Biesiadzinski, TP; Biondi, R; Biondi, Y; Birch, HJ; Bishop, E; Bismark, A; Boehm, C; Boese, K; Bolotnikov, A; Brás, P; Braun, R; Breskin, A; Brew, CAJ; Brommer, S; Brown, A; Bruni, G; Budnik, R; Burdin, S; Cai, C; Capelli, C; Carini, G; Carmona-Benitez, MC; Chauvin, A; Carter, M; Chawla, A; Chen, H; Cherwinka, JJ; Chin, YT; Chott, NI; Chavez, APC; Clark, K; Colijn, AP; Colling, DJ; Conrad, J; Converse, MV; Cooper, LJ; Coronel, R; Costanzo, D; Cottle, A; Cox, G; Cuenca-García, JJ; Curran, D; Cussans, D; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Darlington, I; Dave, S; David, A; Davies, GJ; Decowski, MP; Deisting, A; Delgaudio, J; Dey, S; Di Donato, C; Di Felice, L; Di Gangi, P; Diglio, S; Ding, C; Dobson, JEY; Doerenkamp, M; Drexlin, G; Druszkiewicz, E; Dunbar, CL; Eitel, K; Elykov, A; Engel, R; Eriksen, SR; Fayer, S; Fearon, NM; Ferella, AD; Ferrari, C; Fieldhouse, N; Fischer, H; Flaecher, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fraser, ED; Fruth, TMA; Fujikawa, K; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Gaitskell, RJ; Gallice, N; Galloway, M; Gao, F; Garroum, N; Geffre, A; Genovesi, J; Ghag, C; Ghosh, S; Giacomobono, R; Gibbons, R; Girard, F; Glade-Beucke, R; Glueck, F; Gokhale, S; Grandi, L; Green, J; Grigat, J; van der Grinten, MGD; Grössle, R; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Haiston, JJ; Hall, CR; Hall, T; Hammann, R; Hannen, V; Hansmann-Menzemer, S; Hargittai, N; Hartigan-O'Connor, E; Haselschwardt, SJ; Hernandez, M; Hertel, SA; Higuera, A; Hils, C; Hiraoka, K; Hoetzsch, L; Hoferichter, M; Homenides, GJ; Hood, NF; Horn, M; Huang, DQ; Hughes, S; Hunt, D; Iacovacci, M; Itow, Y; Jacquet, E; Jakob, J; James, RS; Joerg, F; Jones, S; Kaboth, AC; Kahlert, F; Kamaha, AC; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Keller, M; Kemp-Russell, P; Khaitan, D; Kharbanda, P; Kilminster, B; Kim, J; Kirk, R; Kleifges, M; Klute, M; Kobayashi, M; Kodroff, D; Koke, D; Kopec, A; Korolkova, E; Kraus, H; Kravitz, S; Kreczko, L; von Krosigk, B; Kudryavtsev, VA; Kuger, F; Kurita, N; Landsman, H; Lang, RF; Lawes, C; Lee, J; Lehnert, B; Leonard, DS; Lesko, KT; Levinson, L; Li, A; Li, I; Li, S; Liang, S; Liang, Z; Lin, J; Lin, YT; Lindemann, S; Linden, S; Lindner, M; Lindote, A; Lippincott, WH; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Lopes, JAM; Lopes, MI; Lorenzon, W; Loutit, M; Lu, C; Lucchetti, GM; Luce, T; Luitz, S; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Maier, B; Majewski, PA; Manalaysay, A; Mancuso, A; Manenti, L; Mannino, RL; Marignetti, F; Marley, T; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Maupin, C; Mazza, V; McCabe, C; McCarthy, ME; McKinsey, DN; McLaughlin, JB; Melchiorre, A; Menéndez, J; Messina, M; Miller, EH; Milosovic, B; Milutinovic, S; Miuchi, K; Miyata, R; Mizrachi, E; Molinario, A; Monteiro, CMB; Monzani, ME; Morå, K; Moriyama, S; Morrison, E; Morteau, E; Mosbacher, Y; Mount, BJ; Mueller, J; Murdy, M; Murphy, AS; Murra, M; Naylor, A; Nelson, HN; Neves, F; Newstead, JL; Nguyen, A; Ni, K; O'Dell, J; O'Hare, C; Oberlack, U; Obradovic, M; Olcina, I; Oliver-Mallory, KC; Gann, GDO; Orpwood, J; Ouahada, S; Oyulmaz, K; Paetsch, B; Palladino, KJ; Palmer, J; Pan, Y; Pandurovic, M; Pannifer, NJ; Paramesvaran, S; Patton, J; Pellegrini, Q; Penning, B; Pereira, G; Peres, R; Perry, E; Pershing, T; Piastra, F; Pienaar, J; Piepke, A; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Pompa, F; Principe, L; Qi, J; Qiao, K; Qie, Y; Qin, J; Radeka, S; Radeka, V; Rajado, M; García, DR; Ravindran, A; Razeto, A; Reichenbacher, J; Rhyne, CA; Richards, A; Rischbieter, GRC; Riyat, HS; Rosero, R; Roy, A; Rushton, T; Rynders, D; Saakyan, R; Sanchez, L; Sanchez-Lucas, P; Santone, D; dos Santos, JMF; Sartorelli, G; Sazzad, ABMR; Scaffidi, A; Schnee, RW; Schreiner, J; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Schwenck, A; Schwenk, A; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Sharma, S; Shaw, S; Shen, W; Sherman, L; Shi, S; Shi, SY; Shimada, T; Shutt, T; Silk, JJ; Silva, C; Simgen, H; Sinev, G; Singh, R; Siniscalco, J; Solmaz, M; Solovov, VN; Song, Z; Sorensen, P; Soria, J; Stanley, O; Steidl, M; Stenhouse, T; Stevens, A; Stifter, K; Sumner, TJ; Takeda, A; Tan, PL; Taylor, DJ; Taylor, WC; Thers, D; Thümmler, T; Tiedt, DR; Tönnies, F; Tong, Z; Toschi, F; Tovey, DR; Tranter, J; Trask, M; Trinchero, G; Tripathi, M; Tronstad, DR; Trotta, R; Tunnell, CD; Urquijo, P; Usón, A; Utoyama, M; Vaitkus, AC; Valentino, O; Valerius, K; Vecchi, S; Velan, V; Vetter, S; de Viveiros, L; Volta, G; Vorkapic, D; Wang, A; Wang, JJ; Wang, Y; Waters, D; Weerman, KM; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Whitis, TJ; Wild, K; Williams, M; Wilson, M; Wilson, ST; Wittweg, C; Wolf, J; Wolfs, FLH; Woodford, S; Woodward, D; Worcester, M; Wright, CJ; Wu, VHS; Wüstling, S; Wurm, M; Xia, Q; Xing, Y; Xu, D; Xu, J; Xu, Y; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yeh, M; Yu, B; Zavattini, G; Zha, W; Zhong, M; Zuber, K

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C 85 巻 ( 10 ) 2025年10月

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出版者・発行元：European Physical Journal C

This report describes the experimental strategy and technologies for XLZD, the next-generation xenon observatory sensitive to dark matter and neutrino physics. In the baseline design, the detector will have an active liquid xenon target of 60 tonnes, which could be increased to 80 tonnes if the market conditions for xenon are favorable. It is based on the mature liquid xenon time projection chamber technology used in current-generation experiments, LZ and XENONnT. The report discusses the baseline design and opportunities for further optimization of the individual detector components. The experiment envisaged here has the capability to explore parameter space for Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) dark matter down to the neutrino fog, with a 3σ evidence potential for WIMP-nucleon cross sections as low as 3×10-49cm2 (at 40 GeV/c2 WIMP mass). The observatory will also have leading sensitivity to a wide range of alternative dark matter models. It is projected to have a 3σ observation potential of neutrinoless double beta decay of 136Xe at a half-life of up to 5.7×1027 years. Additionally, it is sensitive to astrophysical neutrinos from the sun and galactic supernovae.

DOI： 10.1140/epjc/s10052-025-14810-w

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Radon Removal in XENONnT down to the Solar Neutrino Level Open Access

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Chávez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Garcia, LCD; Deisting, A; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; El Morabit, S; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kharbanda, P; Kobayashi, M; Koke, D; Kopec, A; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Liang, Z; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Liu, M; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Merz, J; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Szyszka, C; Takeda, A; Takeuchi, Y; Tan, PL; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M

PHYSICAL REVIEW X 15 巻 ( 3 ) 2025年9月

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出版者・発行元：Physical Review X

The XENONnT experiment has achieved an exceptionally low 222Rn activity concentration within its inner 5.9 tonne liquid xenon detector of (0.90 0.02 stat 0.07 syst) μBq kg-1, equivalent to about 430 222Rn atoms per tonne of xenon. This was achieved by active online radon removal via cryogenic distillation after stringent material selection. The achieved 222Rn activity concentration is 5 times lower than that in other currently operational multitonne liquid xenon detectors engaged in dark matter searches. This breakthrough enables the pursuit of various rare event searches that lie beyond the confines of the standard model of particle physics, with world-leading sensitivity. The ultralow 222Rn levels have diminished the radon-induced background rate in the detector to a point where it is for the first time comparable to the solar neutrino-induced background, which is poised to become the primary irreducible background in liquid xenon-based detectors.

DOI： 10.1103/zc1w-88p6

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The neutron veto of the XENONnT experiment: results with demineralized water

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Deisting, A; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; el Morabit, S; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koke, D; Kopec, A; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Liu, M; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Merz, J; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Szyszka, C; Takeda, A; Takeuchi, Y; Tan, PL; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C 85 巻 ( 6 ) 2025年6月

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出版者・発行元：European Physical Journal C

Radiogenic neutrons emitted by detector materials are one of the most challenging backgrounds for the direct search of dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs). To mitigate this background, the XENONnT experiment is equipped with a novel gadolinium-doped water Cherenkov detector, which encloses the xenon dual-phase time projection chamber (TPC). The neutron veto (NV) can tag neutrons via their capture on gadolinium or hydrogen, which release γ-rays that are subsequently detected as Cherenkov light. In this work, we present the first results of the XENONnT NV when operated with demineralized water only, before the insertion of gadolinium. Its efficiency for detecting neutrons is (82±1)%, the highest neutron detection efficiency achieved in a water Cherenkov detector. This enables a high efficiency of (53±3)% for the tagging of WIMP-like neutron signals, inside a tagging time window of 250μs between TPC and NV, leading to a livetime loss of 1.6% during the first science run of XENONnT.

DOI： 10.1140/epjc/s10052-025-14105-0

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Measurement of the Quantum Efficiency of Electrode Materials for Vacuum Ultraviolet Photons in Liquid Xenon

Kazama, S; Aoyama, N; Itow, Y; Kobayashi, M

PROGRESS OF THEORETICAL AND EXPERIMENTAL PHYSICS 2025 巻 ( 6 ) 2025年6月

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出版者・発行元：Progress of Theoretical and Experimental Physics

Light dark matter searches using ionization signals in dual-phase liquid xenon (LXe) time projection chambers are limited by low-energy ionization backgrounds, including those from the photoelectric effect on the electrodes. To address this, we measured the quantum efficiency (QE) of various electrode materials for vacuum ultraviolet photons in LXe, including platinum (Pt), stainless steel (SUS304), and magnesium fluoride (MgF2)-coated aluminum (Al). Our results show that MgF2-coated Al exhibits the lowest QE among the tested materials. The QE for vacuum ultraviolet photons with a mean wavelength of 179.5 nm was measured to be (7.2 ± 2.3) × 10-5, corresponding to a reduction in QE by a factor of 4.4 compared to SUS304, a commonly used electrode material in direct dark matter experiments with LXe. These findings suggest that employing low-QE electrodes may help mitigate photoelectric-induced backgrounds, potentially improving the sensitivity of LXe time projection chambers in light dark matter searches.

DOI： 10.1093/ptep/ptaf078

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XENONnT WIMP search: Signal and background modeling and statistical inference Open Access

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cardoso, JMR; Chávez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M

PHYSICAL REVIEW D 111 巻 ( 10 ) 2025年5月

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出版者・発行元：Physical Review D

The XENONnT experiment searches for weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter scattering off a xenon nucleus. In particular, XENONnT uses a dual-phase time projection chamber with a 5.9-ton liquid xenon target, detecting both scintillation and ionization signals to reconstruct the energy, position, and type of recoil. A blind search for nuclear recoil WIMPs with an exposure of 1.1 ton-years (4.18 t fiducial mass) yielded no signal excess over background expectations, from which competitive exclusion limits were derived on WIMP-nucleon elastic scatter cross sections, for WIMP masses ranging from 6 GeV/c2 up to the TeV/c2 scale. This work details the modeling and statistical methods employed in this search. By means of calibration data, we model the detector response, which is then used to derive background and signal models. The construction and validation of these models is discussed, alongside additional purely data-driven backgrounds. We also describe the statistical inference framework, including the definition of the likelihood function and the construction of confidence intervals.

DOI： 10.1103/PhysRevD.111.103040

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Neutrinoless double beta decay sensitivity of the XLZD rare event observatory Open Access

Aalbers, J; Abe, K; Adrover, M; Maouloud, SA; Akerib, DS; Al Musalhi, AK; Alder, F; Althueser, L; Amaral, DWP; Amarasinghe, CS; Ames, A; Andrieu, B; Angelides, N; Angelino, E; Antunovic, B; Aprile, E; Araújo, HM; Armstrong, JE; Arthurs, M; Babicz, M; Baker, A; Balzer, M; Bang, J; Barberio, E; Bargemann, JW; Barillier, E; Basharina-Freshville, A; Baudis, L; Bauer, D; Bazyk, M; Beattie, K; Beaupere, N; Bell, NF; Bellagamba, L; Benson, T; Bhatti, A; Biesiadzinski, TP; Biondi, R; Biondi, Y; Birch, HJ; Bishop, E; Bismark, A; Boehm, C; Boese, K; Bolotnikov, A; Brás, P; Braun, R; Breskin, A; Brew, CAJ; Brommer, S; Brown, A; Bruni, G; Budnik, R; Burdin, S; Cai, C; Capelli, C; Carini, G; Carmona-Benitez, MC; Carter, M; Chauvin, A; Chawla, A; Chen, H; Cherwinka, JJ; Chin, YT; Chott, NI; Chavez, APC; Clark, K; Colijn, AP; Colling, DJ; Conrad, J; Converse, MV; Coronel, R; Costanzo, D; Cottle, A; Cox, G; Cuenca-García, JJ; Curran, D; Cussans, D; D'Andrea, V; Daniel Garcia, LC; Darlington, I; Dave, S; David, A; Davies, GJ; Decowski, MP; Deisting, A; Delgaudio, J; Dey, S; Di Donato, C; Di Felice, L; Di Gangi, P; Diglio, S; Ding, C; Dobson, JEY; Doerenkamp, M; Drexlin, G; Druszkiewicz, E; Dunbar, CL; Eitel, K; Elykov, A; Engel, R; Eriksen, SR; Fayer, S; Fearon, NM; Ferella, AD; Ferrari, C; Fieldhouse, N; Fischer, H; Flaecher, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fraser, ED; Fruth, TMA; Fujikawa, K; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Gaitskell, RJ; Gallice, N; Galloway, M; Gao, F; Garroum, N; Geffre, A; Genovesi, J; Ghag, C; Ghosh, S; Giacomobono, R; Gibbons, R; Girard, F; Glade-Beucke, R; Glück, F; Gokhale, S; Grandi, L; Green, J; Grigat, J; van der Grinten, MGD; Grössle, R; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Haiston, JJ; Hall, CR; Hall, T; Hammann, R; Hannen, V; Hansmann-Menzemer, S; Hargittai, N; Hartigan-O'Connor, E; Haselschwardt, SJ; Hernandez, M; Hertel, SA; Higuera, A; Hils, C; Hiraoka, K; Hoetzsch, L; Hoferichter, M; Homenides, GJ; Hood, NF; Horn, M; Huang, DQ; Hughes, S; Hunt, D; Iacovacci, M; Itow, Y; Jacquet, E; Jakob, J; James, RS; Joerg, F; Jones, S; Kaboth, AC; Kahlert, F; Kamaha, AC; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Keller, M; Kemp-Russell, P; Khaitan, D; Kharbanda, P; Kilminster, B; Kim, J; Kirk, R; Kleifges, M; Klute, M; Kobayashi, M; Kodroff, D; Koke, D; Kopec, A; Korolkova, EV; Kraus, H; Kravitz, S; Kreczko, L; von Krosigk, B; Kudryavtsev, VA; Kuger, F; Kurita, N; Landsman, H; Lang, RF; Lawes, C; Lee, J; Lehnert, B; Leonard, DS; Lesko, KT; Levinson, L; Li, A; Li, I; Li, S; Liang, S; Liang, Z; Lin, J; Lin, YT; Lindemann, S; Linden, S; Lindner, M; Lindote, A; Lippincott, WH; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Lopes, JAM; Lopes, MI; Lorenzon, W; Loutit, M; Lu, C; Lucchetti, GM; Luce, T; Luitz, S; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Maier, B; Majewski, PA; Manalaysay, A; Mancuso, A; Manenti, L; Mannino, RL; Marignetti, F; Marley, T; Marrodán Undagoitia, T; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Maupin, C; McCabe, C; McCarthy, ME; McKinsey, DN; 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Woodford, S; Woodward, D; Worcester, M; Wright, CJ; Wu, VHS; Wüstling, S; Wurm, M; Xia, Q; Xing, Y; Xu, D; Xu, J; Xu, Y; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yeh, M; Yu, B; Zavattini, G; Zha, W; Zhong, M; Zuber, K

JOURNAL OF PHYSICS G-NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS 52 巻 ( 4 ) 2025年4月

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出版者・発行元：Journal of Physics G Nuclear and Particle Physics

The XLZD collaboration is developing a two-phase xenon time projection chamber with an active mass of 60-80 t capable of probing the remaining weakly interacting massive particle-nucleon interaction parameter space down to the so-called neutrino fog. In this work we show that, based on the performance of currently operating detectors using the same technology and a realistic reduction of radioactivity in detector materials, such an experiment will also be able to competitively search for neutrinoless double beta decay in 136Xe using a natural-abundance xenon target. XLZD can reach a 3σ discovery potential half-life of 5.7 × 1027 years (and a 90% CL exclusion of 1.3 × 1028 years) with 10 years of data taking, corresponding to a Majorana mass range of 7.3-31.3 meV (4.8-20.5 meV). XLZD will thus exclude the inverted neutrino mass ordering parameter space and will start to probe the normal ordering region for most of the nuclear matrix elements commonly considered by the community.

DOI： 10.1088/1361-6471/adb900

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Search for Light Dark Matter in Low-Energy Ionization Signals from XENONnT

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Deisting, A; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; el Morabit, S; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koke, D; Kopec, A; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Liu, M; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Merz, J; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Mora, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Szyszka, C; Takeda, A; Tan, PL; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M

PHYSICAL REVIEW LETTERS 134 巻 ( 16 ) 頁： 161004 2025年4月

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記述言語：英語出版者・発行元：Physical Review Letters

We report on a blinded search for dark matter with single- and few-electron signals in the first science run of XENONnT relying on a novel detector response framework that is physics model dependent. We derive 90% confidence upper limits for dark matter-electron interactions. Heavy and light mediator cases are considered for the standard halo model and dark matter up-scattered in the Sun. We set stringent new limits on dark matter-electron scattering via a heavy mediator with a mass within 10-20 MeV/c2 and electron absorption of axionlike particles and dark photons for mχ below 0.03 keV/c2.

DOI： 10.1103/PhysRevLett.134.161004

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XENONnT analysis: Signal reconstruction, calibration, and event selection Open Access

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cardoso, JMR; Chávez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Deisting, A; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koke, D; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Merz, J; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M

PHYSICAL REVIEW D 111 巻 ( 6 ) 2025年3月

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出版者・発行元：Physical Review D

The XENONnT experiment, located at the INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy, features a 5.9 tonne liquid xenon time projection chamber surrounded by an instrumented neutron veto, all of which is housed within a muon veto water tank. Because of extensive shielding and advanced purification to mitigate natural radioactivity, an exceptionally low background level of (15.8±1.3) events/(tonne·year·keV) in the (1,30) keV region is reached in the inner part of the time projection chamber. XENONnT is, thus, sensitive to a wide range of rare phenomena related to dark matter and neutrino interactions, both within and beyond the Standard Model of particle physics, with a focus on the direct detection of dark matter in the form of weakly interacting massive particles. From May 2021 to December 2021, XENONnT accumulated data in rare-event search mode with a total exposure of one tonne·year. This paper provides a detailed description of the signal reconstruction methods, event selection procedure, and detector response calibration, as well as an overview of the detector performance in this time frame. This work establishes the foundational framework for the "blind analysis"methodology we are using when reporting XENONnT physics results.

DOI： 10.1103/PhysRevD.111.062006

Open Access

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First Search for Light Dark Matter in the Neutrino Fog with XENONnT

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Chávez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Deisting, A; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; el Morabit, S; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koke, D; Kopec, A; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Liu, M; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Merz, J; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Szyszka, C; Takeda, A; Tan, PL; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M

PHYSICAL REVIEW LETTERS 134 巻 ( 11 ) 頁： 111802 2025年3月

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記述言語：英語出版者・発行元：Physical Review Letters

We search for dark matter (DM) with a mass [3,12] GeV/c2 using an exposure of 3.51 tonne year with the XENONnT experiment. We consider spin-independent DM-nucleon interactions mediated by a heavy or light mediator, spin-dependent DM-neutron interactions, momentum-dependent DM scattering, and mirror DM. Using a lowered energy threshold compared to the previous weakly interacting massive particle search, a blind analysis of [0.5, 5.0] keV nuclear recoil events reveals no significant signal excess over the background. XENONnT excludes spin-independent DM-nucleon cross sections >2.5×10-45 cm2 at 90% confidence level for 6 GeV/c2 DM. In the considered mass range, the DM sensitivity approaches the "neutrino fog,"the limitation where neutrinos produce a signal that is indistinguishable from that of light DM-xenon nucleus scattering.

DOI： 10.1103/PhysRevLett.134.111802

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First Indication of Solar 8B Neutrinos via Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering with XENONnT

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Boese, K; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Chávez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Deisting, A; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Giacomobono, R; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Gyorgy, P; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koke, D; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Liu, M; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Merz, J; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shi, J; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, CD; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Solar, FIV; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M

PHYSICAL REVIEW LETTERS 133 巻 ( 19 ) 頁： 191002 2024年11月

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記述言語：英語出版者・発行元：Physical Review Letters

We present the first measurement of nuclear recoils from solar B8 neutrinos via coherent elastic neutrino-nucleus scattering with the XENONnT dark matter experiment. The central detector of XENONnT is a low-background, two-phase time projection chamber with a 5.9 t sensitive liquid xenon target. A blind analysis with an exposure of 3.51 t×yr resulted in 37 observed events above 0.5 keV, with (26.4-1.3+1.4) events expected from backgrounds. The background-only hypothesis is rejected with a statistical significance of 2.73σ. The measured B8 solar neutrino flux of (4.7-2.3+3.6)×106 cm-2 s-1 is consistent with results from the Sudbury Neutrino Observatory. The measured neutrino flux-weighted CEνNS cross section on Xe of (1.1-0.5+0.8)×10-39 cm2 is consistent with the Standard Model prediction. This is the first direct measurement of nuclear recoils from solar neutrinos with a dark matter detector.

DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.191002

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Development of a low-noise SiPM for the DARWIN experiment

Sakamoto S., Hasegawa T., Itow Y., Kazama S., Kobayashi M., Yamashita M.

Proceedings of Science 444 巻 2024年9月

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出版者・発行元：Proceedings of Science

The DARWIN is a future direct dark matter search experiment with 50 tons of liquid xenon (LXe) aiming to discover Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) by detecting scintillation photons generated by the interaction between WIMPs and xenon nuclei. SiPMs (Silicon PhotoMultipliers) have low radioactivity and good photo-detection efficiency for vacuum ultraviolet light. Therefore, SiPMs offer a potential alternative to photomultiplier tubes (PMTs) presently utilized in dark matter experiments with LXe. Nevertheless, SiPMs currently suffer from a dark count rate (DCR) at LXe temperatures that is approximately O(10) times higher than that of PMTs. In this study, we developed a new VUV-sensitive SiPM with lowered electric field for avalanche amplification, and demonstrated that the new SiPMs have 6.5–8.6 times lower DCR at LXe temperatures than that of the conventional SiPMs, achieving a DCR of 0.035–0.069 Hz/mm2 depending on over-voltages.

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The XENONnT dark matter experiment

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, DA; Arneodo, F; Balata, M; Baudis, L; Baxter, AL; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cai, C; Cardoso, JMR; Cassese, F; Chiarini, A; Cichon, D; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Corrieri, R; Cuenca-Garcia, JJ; Cussonneau, JP; Dadoun, O; D'Andrea, V; Decowski, MP; De Fazio, B; Gangi, PD; Diglio, S; Disdier, JM; Douillet, D; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flierman, M; Form, S; Front, D; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Gardner, R; Garroum, N; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guerzoni, M; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Howlett, J; Huhmann, C; Iacovacci, M; Iaquaniello, G; Iven, L; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martella, P; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Mele, E; Messina, M; Michinelli, R; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Mora, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Mueller, J; Ni, K; Nisi, S; Oberlack, U; Orlandi, D; Othegraven, R; Paetsch, B; Palacio, J; Parlati, S; Paschos, P; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Qi, J; Qin, J; Garcia, DR; Rynge, M; Shi, J; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Stephen, J; Stern, M; Stillwell, BK; Takeda, A; Tan, PL; Tatananni, D; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Westermann, J; Wittweg, C; Wolf, T; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M; Zhu, T

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C 84 巻 ( 8 ) 頁： 784 2024年8月

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記述言語：英語出版者・発行元：European Physical Journal C

The multi-staged XENON program at INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso aims to detect dark matter with two-phase liquid xenon time projection chambers of increasing size and sensitivity. The XENONnT experiment is the latest detector in the program, planned to be an upgrade of its predecessor XENON1T. It features an active target of 5.9 tonnes of cryogenic liquid xenon (8.5 tonnes total mass in cryostat). The experiment is expected to extend the sensitivity to WIMP dark matter by more than an order of magnitude compared to XENON1T, thanks to the larger active mass and the significantly reduced background, improved by novel systems such as a radon removal plant and a neutron veto. This article describes the XENONnT experiment and its sub-systems in detail and reports on the detector performance during the first science run.

DOI： 10.1140/epjc/s10052-024-12982-5

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Offline tagging of radon-induced backgrounds in XENON1T and applicability to other liquid xenon time projection chambers Open Access

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cardoso, JMR; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Garcia, LCD; Decowski, MP; Di Donato, C; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flehmke, T; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Gao, F; Ghosh, S; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kaminaga, Y; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lin, YT; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, E; Mastroianni, S; Melchiorre, A; Messina, M; Michael, A; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Pan, Y; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rajado, M; Shi, J; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M; Zhu, T

PHYSICAL REVIEW D 110 巻 ( 1 ) 2024年7月

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出版者・発行元：Physical Review D

This paper details the first application of a software tagging algorithm to reduce radon-induced backgrounds in liquid noble element time projection chambers, such as XENON1T and XENONnT. The convection velocity field in XENON1T was mapped out using Rn222 and Po218 events, and the rms convection speed was measured to be 0.30±0.01 cm/s. Given this velocity field, Pb214 background events can be tagged when they are followed by Bi214 and Po214 decays, or preceded by Po218 decays. This was achieved by evolving a point cloud in the direction of a measured convection velocity field, and searching for Bi214 and Po214 decays or Po218 decays within a volume defined by the point cloud. In XENON1T, this tagging system achieved a Pb214 background reduction of 6.2-0.9+0.4% with an exposure loss of 1.8±0.2%, despite the timescales of convection being smaller than the relevant decay times. We show that the performance can be improved in XENONnT, and that the performance of such a software-tagging approach can be expected to be further improved in a diffusion-limited scenario. Finally, a similar method might be useful to tag the cosmogenic Xe137 background, which is relevant to the search for neutrinoless double-beta decay.

DOI： 10.1103/PhysRevD.110.012011

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Effective field theory and inelastic dark matter results from XENON1T Open Access

Aprile, E; Abe, K; Agostini, F; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Cichon, D; Clark, M; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; Cussonneau, JP; D'Andrea, V; Decowski, MP; Di Gangi, P; Di Pede, S; Di Giovanni, A; Di Stefano, R; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Fischer, H; Fulgione, W; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Howlett, J; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kato, N; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Manfredini, A; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Messina, M; Miuchi, K; Mizukoshi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Peres, R; Pienaar, J; Pierre, M; Pizzella, V; Plante, G; Qi, J; Qin, J; García, DR; Reichard, S; Rocchetti, A; Rupp, N; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Volta, G; Wei, Y; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M; Zhu, T

PHYSICAL REVIEW D 109 巻 ( 11 ) 2024年6月

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出版者・発行元：Physical Review D

In this work, we expand on the XENON1T nuclear recoil searches to study the individual signals of dark matter interactions from operators up to dimension eight in a chiral effective field theory (ChEFT) and a model of inelastic dark matter (iDM). We analyze data from two science runs of the XENON1T detector totaling 1 t×yr exposure. For these analyses, we extended the region of interest from [4.9,40.9] keVNR to [4.9,54.4] keVNR to enhance our sensitivity for signals that peak at nonzero energies. We show that the data are consistent with the background-only hypothesis, with a small background overfluctuation observed peaking between 20 and 50 keVNR, resulting in a maximum local discovery significance of 1.7σ for the Vector - Vectorstrange ChEFT channel for a dark matter particle of 70 GeV/c2 and 1.8σ for an iDM particle of 50 GeV/c2 with a mass splitting of 100 keV/c2. For each model, we report 90% confidence level upper limits. We also report upper limits on three benchmark models of dark matter interaction using ChEFT where we investigate the effect of isospin-breaking interactions. We observe rate-driven cancellations in regions of the isospin-breaking couplings, leading to up to 6 orders of magnitude weaker upper limits with respect to the isospin-conserving case.

DOI： 10.1103/PhysRevD.109.112017

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Design and performance of the field cage for the XENONnT experiment

Aprile, E; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cai, C; Cardoso, JMR; Cichon, D; Chávez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-Garcia, JJ; Cussonneau, JP; D'Andrea, V; Decowski, MP; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Howlett, J; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Messina, M; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Mora, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Qi, J; Qin, J; Garcia, DR; Sarcevic, N; Shi, J; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M; Zhu, T

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C 84 巻 ( 2 ) 2024年2月

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出版者・発行元：European Physical Journal C

The precision in reconstructing events detected in a dual-phase time projection chamber depends on an homogeneous and well understood electric field within the liquid target. In the XENONnT TPC the field homogeneity is achieved through a double-array field cage, consisting of two nested arrays of field shaping rings connected by an easily accessible resistor chain. Rather than being connected to the gate electrode, the topmost field shaping ring is independently biased, adding a degree of freedom to tune the electric field during operation. Two-dimensional finite element simulations were used to optimize the field cage, as well as its operation. Simulation results were compared to 83mKrcalibration data. This comparison indicates an accumulation of charge on the panels of the TPC which is constant over time, as no evolution of the reconstructed position distribution of events is observed. The simulated electric field was then used to correct the charge signal for the field dependence of the charge yield. This correction resolves the inconsistent measurement of the drift electron lifetime when using different calibrations sources and different field cage tuning voltages.

DOI： 10.1140/epjc/s10052-023-12296-y

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Cosmogenic background simulations for neutrinoless double beta decay with the DARWIN observatory at various underground sites

Adrover, M; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antunovic, B; Aprile, E; Babicz, M; Bajpai, D; Barberio, E; Baudis, L; Bazyk, M; Bell, N; Bellagamba, L; Biondi, R; Biondi, Y; Bismark, A; Boehm, C; Breskin, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruno, G; Budnik, R; Capelli, C; Cardoso, JMR; Chauvin, A; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Decowski, MP; Deisting, A; Di Gangi, P; Diglio, S; Doerenkamp, M; Drexlin, G; Eitel, K; Elykov, A; Engel, R; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flierman, M; Fulgione, W; Gaemers, P; Gaior, R; Galloway, M; Garroum, N; Ghosh, S; Girard, F; Glade-Beucke, R; Glück, F; Grandi, L; Grigat, J; Grössle, R; Guan, H; Guida, M; Hammann, R; Hannen, V; Hansmann-Menzemer, S; Hargittai, N; Hasegawa, T; Hils, C; Higuera, A; Hiraoka, K; Hoetzsch, L; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Jörg, F; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Keller, M; Kilminster, B; Kleifges, M; Kobayashi, M; Kopec, A; von Krosigk, B; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Lombardi, F; Loizeau, J; Luce, T; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Undagoitia, TM; Lopes, JAM; Marignetti, F; Martens, K; Masbou, J; Mastroianni, S; Milutinovic, S; Miuchi, K; Miyata, R; Molinario, A; Monteiro, CMB; Morå, K; Morteau, E; Mosbacher, Y; Müller, J; Murra, M; Newstead, JL; Ni, K; Oberlack, UG; Ostrovskiy, I; Paetsch, B; Pandurovic, M; Pellegrini, Q; Peres, R; Pienaar, J; Pierre, M; Piotter, M; Plante, G; Pollmann, TR; Principe, L; Qi, J; Qin, J; Silva, MR; García, DR; Razeto, A; Sakamoto, S; Sanchez, L; Sanchez-Lucas, P; dos Santos, JMF; Sartorelli, G; Scaffidi, A; Schulte, P; Schultz-Coulon, HC; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Sharma, S; Shen, W; Silva, M; Simgen, H; Singh, R; Solmaz, M; Stanley, O; Steidl, M; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Thuemmler, T; Toennies, F; Toschi, F; Trinchero, G; Trotta, R; Tunnell, C; Urquijo, P; Valerius, K; Vecchi, S; Vetter, S; Volta, G; Vorkapic, D; Wang, W; Weerman, KM; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, J; Wolf, T; Wu, VHS; Wurm, M; Xing, Y; Yamashita, M; Ye, J; Zavattini, G; Zuber, K

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C 84 巻 ( 1 ) 2024年1月

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出版者・発行元：European Physical Journal C

Xenon dual-phase time projections chambers (TPCs) have proven to be a successful technology in studying physical phenomena that require low-background conditions. With 40t of liquid xenon (LXe) in the TPC baseline design, DARWIN will have a high sensitivity for the detection of particle dark matter, neutrinoless double beta decay (0 ν β β), and axion-like particles (ALPs). Although cosmic muons are a source of background that cannot be entirely eliminated, they may be greatly diminished by placing the detector deep underground. In this study, we used Monte Carlo simulations to model the cosmogenic background expected for the DARWIN observatory at four underground laboratories: Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), Sanford Underground Research Facility (SURF), Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) and SNOLAB. We present here the results of simulations performed to determine the production rate of 137 Xe, the most crucial isotope in the search for 0 ν β β of 136 Xe. Additionally, we explore the contribution that other muon-induced spallation products, such as other unstable xenon isotopes and tritium, may have on the cosmogenic background.

DOI： 10.1140/epjc/s10052-023-12298-w

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DARWIN実験に向けた低ダークカウントSiPMの光検出効率測定 Open Access

平岡楓, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊, 宮田瑠太

日本物理学会講演概要集 79.1 巻 ( 0 ) 頁： 487 - 487 2024年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

暗黒物質の直接探索実験において、液体キセノンを標的に用いた探索は重い暗黒物質に対して高い感度を持ち、主流な方法の一つとなっている。しかし、XENONnT実験など、現在光検出器として用いられている光電子増倍管(PMT)には、その内部に含まれる放射性物質により中性子が発生し、これが偽の暗黒物質信号を形成することで、暗黒物質の発見感度を制限してしまう問題がある。そのため、放射線含有量の少ないシリコン結晶を用いているSiPMが代替の検出器として期待されている。この実現に向けて、我々のグループで低ダークカウントSiPMの開発を進めている。これは、内部の電場強度を抑えることでSiPMの課題であるダークカウントの低減を目指した光検出器であるが、先行研究により光検出効率の低下が懸念されている。本講演では、低ダークカウントSiPMの光検出効率測定の進捗についての報告を行う。

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.79.1.0_487

Open Access

CiNii Research
液体キセノン中トリチウム濃度定量評価のための微量水素測定法の開発 Open Access

宇都山光輝, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊, 山下雅樹

日本物理学会講演概要集 79.2 巻 ( 0 ) 頁： 450 - 450 2024年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

XENON1Tで観測されたように、液体キセノンを用いた暗黒物質直接探索実験では、液中に不純物として存在するトリチウムがバックグラウンドになる可能性がある。そこで、本研究では液体キセノン中のトリチウム濃度を定量評価するために、液体キセノン中のpptレベルの水素濃度を測定することを目指している。本講演では残留ガス分析装置、水素分離膜モジュールを用いたアルゴンガス中の微量水素測定の現状についての報告を行う。

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.79.2.0_450

Open Access

CiNii Research
密閉型液体キセノン検出器及びキセノン循環システムの開発 Open Access

宮田瑠太, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊

日本物理学会講演概要集 79.1 巻 ( 0 ) 頁： 488 - 488 2024年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

液体キセノンを用いた暗黒物質の直接探索実験では、ラドンの娘核のβ崩壊が主要な背景事象となっている。検出器部材から湧き出てくるラドンへの対策として、有感領域を高純度な石英ガラスで密閉することでラドンの侵入を防ぐ手法が提案されており、密閉容器の開発とキセノン循環時のラドン遮蔽能力の評価が必要である。本発表では、石英ガラスとPTFEを用いた密閉容器の開発、及び密閉容器のラドン遮蔽能力の評価のための密閉容器内外で独立したキセノン循環システムの開発に関して報告を行う。

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.79.1.0_488

Open Access

CiNii Research
マイクロストリップ電極を用いた一相式液体キセノンTPCの開発 Open Access

島田大輝, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊, Breskin Amos, Lema Gonzalo Martinez

日本物理学会講演概要集 79.1 巻 ( 0 ) 頁： 489 - 489 2024年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

液体キセノンをシンチレータとした暗黒物質直接探索では、電離電子とシンチレーション光による２つの信号から暗黒物質をバックグラウンド事象と区別する。電子をドリフトさせて電極近傍で光に変換するためにストリップ状の細い電極が必要だが、たわみや断線といった問題がある。そこで、本研究では石英ガラス表面にストリップパターンをコーティングした電極を用いて一相式液体キセノン検出器を開発している。本講演では解析ソフトウェアCOMSOLを用いた電界シミュレーションの結果及び、真空・液体キセノンでのテスト状況に関して報告を行う。

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.79.1.0_489

Open Access

CiNii Research
キセノンガス中の微量水素量測定法の開発 Open Access

小林雅俊, 山下雅樹, 風間慎吾, 伊藤好孝

日本物理学会講演概要集 79.1 巻 ( 0 ) 頁： 490 - 490 2024年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

2020年にXENON1T実験が報告した低エネルギー電子反跳事象の超過現象は、XENONnTの初期データで同様の超過現象が観測されなかったことから検出器内のトリチウムに由来するバックグラウンドの可能性が有力となった。一方キセノン中微量水素の定常的な測定が困難であることから現在の所検出器中トリチウム存在量に明確な上限をつけることは出来ておらず、将来実験でトリチウムがバックグラウンドとなることを防ぐためにも測定法の開発が進められている。本講演では、開発の現状について報告する。

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.79.1.0_490

Open Access

CiNii Research
XENONnT検出器を用いた太陽ニュートリノ観測の現状報告 Open Access

小林雅俊, XENON Collaboration

日本物理学会講演概要集 79.2 巻 ( 0 ) 頁： 495 - 495 2024年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

XENONnT実験は8.5トンの液体キセノン検出器を用いて宇宙素粒子の観測を行う国際実験で、現在イタリア・グランサッソ国立研究所で運転を続けている。XENONnT実験の主目的は暗黒物質の直接探索であるが極低放射能な液体キセノン検出器は暗黒物質だけでなく、原子核とのコヒーレント散乱を通じて8Bニュートリノに、電子散乱を通じて低エネルギーなppニュートリノにも感度を持っている。本講演では、XENONnTによるこれら太陽ニュートリノの観測に関して現状を報告する。

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.79.2.0_495

Open Access

CiNii Research
DARWIN実験のためのハイブリッド光検出器の開発 Open Access

風間慎吾, 長谷川智哉, 伊藤好孝, 小林雅俊, 山下雅樹

日本物理学会講演概要集 79.1 巻 ( 0 ) 頁： 486 - 486 2024年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

暗黒物質直接探索では、暗黒物質と標的媒質中の原子核との相互作用の痕跡を捉えることが試みられており、液体キセノンをシンチレータとして用いた検出器は重い暗黒物質に対して高い感度を持つため、探索実験において主流の検出器となっている。しかし、光検出器として用いられる光電子増倍管(PMT)に含まれる放射性物質等から発生する中性子は、液体キセノンと原子核反跳を起こすことで偽の暗黒物質信号を形成する。この中性子背景事象が暗黒物質の発見感度を制限するため、PMTに代わる低放射能な光検出器の開発が必須である。本研究では、PMT、SiPM、蛍光体の技術を組み合わせたハイブリッド光検出器の開発を行なっている。本講演では、ハイブリッド光検出器の特性の推定結果、及び選定された蛍光体の発光効率の測定結果について報告を行う。

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.79.1.0_486

Open Access

CiNii Research
Search for events in XENON1T associated with gravitational waves Open Access

Aprile, E; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cai, C; Cardoso, JMR; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; D'Andrea, V; Decowski, MP; Di Gangi, P; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Howlett, J; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Carlos, DGL; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Messina, M; Miuchi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Plante, G; Pollmann, TR; Qi, J; Qin, J; García, DR; Shi, J; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M; Zhu, T

PHYSICAL REVIEW D 108 巻 ( 7 ) 2023年10月

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出版者・発行元：Physical Review D

We perform a blind search for particle signals in the XENON1T dark matter detector that occur close in time to gravitational-wave signals in the LIGO and Virgo observatories. No particle signal is observed in the nuclear recoil and electronic recoil channels within ±500 seconds of observations of the gravitational-wave signals GW170104, GW170729, GW170817, GW170818, and GW170823. We use this null result to constrain monoenergetic neutrinos and axion-like particles emitted in the closest coalescence GW170817, a binary neutron star merger. We set new upper limits on the fluence (time-integrated flux) of coincident neutrinos down to 17 keV at the 90% confidence level. Furthermore, we constrain the product of the coincident fluence and cross section of axion-like particles to be less than 10-29 cm2/cm2 in the [5.5-210] keV energy range at the 90% confidence level.

DOI： 10.1103/PhysRevD.108.072015

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First Dark Matter Search with Nuclear Recoils from the XENONnT Experiment Open Access

Aprile, E; Abe, K; Agostini, F; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cai, C; Cardoso, JMR; Cichon, D; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-Garcia, JJ; Cussonneau, JP; D'Andrea, ; Decowski, MP; Di Gangi, P; Di Pede, S; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Howlett, J; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kato, N; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Messina, M; Miuchi, K; Mizukoshi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Mueller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Pizzella, V; Plante, G; Qi, J; Qin, J; Garcí, DR; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Toennies, F; Valerius, K; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M; Zhu, T

PHYSICAL REVIEW LETTERS 131 巻 ( 4 ) 頁： 041003 2023年7月

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記述言語：英語出版者・発行元：Physical Review Letters

We report on the first search for nuclear recoils from dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) with the XENONnT experiment, which is based on a two-phase time projection chamber with a sensitive liquid xenon mass of 5.9 ton. During the (1.09±0.03) ton yr exposure used for this search, the intrinsic Kr85 and Rn222 concentrations in the liquid target are reduced to unprecedentedly low levels, giving an electronic recoil background rate of (15.8±1.3) events/ton yr keV in the region of interest. A blind analysis of nuclear recoil events with energies between 3.3 and 60.5 keV finds no significant excess. This leads to a minimum upper limit on the spin-independent WIMP-nucleon cross section of 2.58×1047 cm2 for a WIMP mass of 28 GeV/c2 at 90% confidence level. Limits for spin-dependent interactions are also provided. Both the limit and the sensitivity for the full range of WIMP masses analyzed here improve on previous results obtained with the XENON1T experiment for the same exposure.

DOI： 10.1103/PhysRevLett.131.041003

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Detector signal characterization with a Bayesian network in XENONnT Open Access

Aprile, E; Abe, K; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bazyk, M; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cai, C; Cardoso, JMR; Cichon, D; Chavez, APC; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; Cussonneau, JP; D'Andrea, V; Decowski, MP; Di Gangi, P; Di Pede, S; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guan, H; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Howlett, J; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kato, N; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Messina, M; Miuchi, K; Mizukoshi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Pellegrini, Q; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Pizzella, V; Plante, G; Pollmann, TR; Qi, J; Qin, J; García, DR; Singh, R; Sanchez, L; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, PS; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Wu, VHS; Xing, Y; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zhong, M; Zhu, T

PHYSICAL REVIEW D 108 巻 ( 1 ) 2023年7月

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出版者・発行元：Physical Review D

We developed a detector signal characterization model based on a Bayesian network trained on the waveform attributes generated by a dual-phase xenon time projection chamber. By performing inference on the model, we produced a quantitative metric of signal characterization and demonstrate that this metric can be used to determine whether a detector signal is sourced from a scintillation or an ionization process. We describe the method and its performance on electronic-recoil (ER) data taken during the first science run of the XENONnT dark matter experiment. We demonstrate the first use of a Bayesian network in a waveform-based analysis of detector signals. This method resulted in a 3% increase in ER event-selection efficiency with a simultaneously effective rejection of events outside of the region of interest. The findings of this analysis are consistent with the previous analysis from XENONnT, namely a background-only fit of the ER data.

DOI： 10.1103/PhysRevD.108.012016

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The triggerless data acquisition system of the XENONnT experiment Open Access

Aprile, E; Aalbers, J; Abe, K; Agostini, F; Maouloud, SA; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Martin, DA; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brookes, EJ; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cai, C; Cardoso, JMR; Cichon, D; Chavez, APC; Coderre, D; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; Cussonneau, JP; D'Andrea, V; Decowski, MP; Di Gangi, P; Di Pede, S; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Flierman, M; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Hood, NF; Howlett, J; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kato, N; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Messina, M; Miuchi, K; Mizukoshi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Pizzella, V; Plante, G; Qi, J; Qin, J; García, DR; Rocchetti, A; Sanchez, L; Sanchez-Lucas, P; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissing, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zerbo, S; Zhong, M; Zhu, T

JOURNAL OF INSTRUMENTATION 18 巻 ( 7 ) 2023年7月

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出版者・発行元：Journal of Instrumentation

The XENONnT detector uses the latest and largest liquid xenon-based time projection chamber (TPC) operated by the XENON Collaboration, aimed at detecting Weakly Interacting Massive Particles and conducting other rare event searches. The XENONnT data acquisition (DAQ) system constitutes an upgraded and expanded version of the XENON1T DAQ system. For its operation, it relies predominantly on commercially available hardware accompanied by open-source and custom-developed software. The three constituent subsystems of the XENONnT detector, the TPC (main detector), muon veto, and the newly introduced neutron veto, are integrated into a single DAQ, and can be operated both independently and as a unified system. In total, the DAQ digitizes the signals of 698 photomultiplier tubes (PMTs), of which 253 from the top PMT array of the TPC are digitized twice, at ×10 and ×0.5 gain. The DAQ for the most part is a triggerless system, reading out and storing every signal that exceeds the digitization thresholds. Custom-developed software is used to process the acquired data, making it available within ∼30 s for live data quality monitoring and online analyses. The entire system with all the three subsystems was successfully commissioned and has been operating continuously, comfortably withstanding readout rates that exceed ∼500 MB/s during calibration. Livetime during normal operation exceeds 99% and is ∼90% during most high-rate calibrations. The combined DAQ system has collected more than 2 PB of both calibration and science data during the commissioning of XENONnT and the first science run.

DOI： 10.1088/1748-0221/18/07/P07054

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Searching for Heavy Dark Matter near the Planck Mass with XENON1T Open Access

Aprile E., Abe K., Ahmed Maouloud S., Althueser L., Andrieu B., Angelino E., Angevaare J.R., Antochi V.C., Antón Martin D., Arneodo F., Baudis L., Baxter A.L., Bazyk M., Bellagamba L., Biondi R., Bismark A., Brookes E.J., Brown A., Bruenner S., Bruno G., Budnik R., Bui T.K., Cai C., Cardoso J.M.R., Cichon D., Cimental Chavez A.P., Clark M., Colijn A.P., Conrad J., Cuenca-García J.J., Cussonneau J.P., D'Andrea V., Decowski M.P., Di Gangi P., Di Pede S., Diglio S., Eitel K., Elykov A., Farrell S., Ferella A.D., Ferrari C., Fischer H., Flierman M., Fulgione W., Fuselli C., Gaemers P., Gaior R., Gallo Rosso A., Galloway M., Gao F., Glade-Beucke R., Grandi L., Grigat J., Guan H., Guida M., Hammann R., Higuera A., Hils C., Hoetzsch L., Hood N.F., Howlett J., Iacovacci M., Itow Y., Jakob J., Joerg F., Joy A., Kato N., Kara M., Kavrigin P., Kazama S., Kobayashi M., Koltman G., Kopec A., Kuger F., Landsman H., Lang R.F., Levinson L., Li I., Li S., Liang S., Lindemann S., Lindner M., Liu K., Loizeau J., Lombardi F., Long J., Lopes J.A.M., Ma Y., Macolino C., Mahlstedt J., Mancuso A., Manenti L., Marignetti F., Marrodán Undagoitia T., Martens K., Masbou J., Masson D., Masson E., Mastroianni S., Messina M.

Physical Review Letters 130 巻 ( 26 ) 頁： 261002 2023年6月

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記述言語：英語出版者・発行元：Physical Review Letters

Multiple viable theoretical models predict heavy dark matter particles with a mass close to the Planck mass, a range relatively unexplored by current experimental measurements. We use 219.4 days of data collected with the XENON1T experiment to conduct a blind search for signals from multiply interacting massive particles (MIMPs). Their unique track signature allows a targeted analysis with only 0.05 expected background events from muons. Following unblinding, we observe no signal candidate events. This Letter places strong constraints on spin-independent interactions of dark matter particles with a mass between 1×1012 and 2×1017 GeV/c2. In addition, we present the first exclusion limits on spin-dependent MIMP-neutron and MIMP-proton cross sections for dark matter particles with masses close to the Planck scale.

DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.261002

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Low-energy calibration of XENON1T with an internal 37Ar source Open Access

Aprile, E; Abe, K; Agostini, F; Ahmed Maouloud, S; Alfonsi, M; Althueser, L; Andrieu, B; Angelino, E; Angevaare, JR; Antochi, VC; Antón Martin, D; Arneodo, F; Baudis, L; Baxter, AL; Bellagamba, L; Biondi, R; Bismark, A; Brown, A; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Cai, C; Capelli, C; Cardoso, JMR; Cichon, D; Colijn, AP; Conrad, J; Cuenca-García, JJ; Cussonneau, JP; D'Andrea, V; Decowski, MP; Di Gangi, P; Di Pede, S; Diglio, S; Eitel, K; Elykov, A; Farrell, S; Ferella, AD; Ferrari, C; Fischer, H; Fulgione, W; Gaemers, P; Gaior, R; Rosso, AG; Galloway, M; Gao, F; Glade-Beucke, R; Grandi, L; Grigat, J; Guida, M; Hammann, R; Higuera, A; Hils, C; Hoetzsch, L; Howlett, J; Iacovacci, M; Itow, Y; Jakob, J; Joerg, F; Joy, A; Kato, N; Kara, M; Kavrigin, P; Kazama, S; Kobayashi, M; Koltman, G; Kopec, A; Kuger, F; Landsman, H; Lang, RF; Levinson, L; Li, I; Li, S; Liang, S; Lindemann, S; Lindner, M; Liu, K; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, JAM; Ma, Y; Macolino, C; Mahlstedt, J; Mancuso, A; Manenti, L; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Messina, M; Miuchi, K; Mizukoshi, K; Molinario, A; Moriyama, S; Morå, K; Mosbacher, Y; Murra, M; Müller, J; Ni, K; Oberlack, U; Paetsch, B; Palacio, J; Peres, R; Peters, C; Pienaar, J; Pierre, M; Pizzella, V; Plante, G; Qi, J; Qin, J; Garcia, DR; Reichard, S; Rocchetti, A; Rupp, N; Sanchez, L; Sanchez-Lucas, P; dos Santos, JMF; Sarnoff, I; Sartorelli, G; Schreiner, J; Schulte, D; Schulte, P; Eissng, HS; Schumann, M; Lavina, LS; Selvi, M; Semeria, F; Shagin, P; Shi, S; Shockley, E; Silva, M; Simgen, H; Takeda, A; Tan, PL; Terliuk, A; Thers, D; Toschi, F; Trinchero, G; Tunnell, C; Tönnies, F; Valerius, K; Volta, G; Weinheimer, C; Weiss, M; Wenz, D; Wittweg, C; Wolf, T; Xu, D; Xu, Z; Yamashita, M; Yang, L; Ye, J; Yuan, L; Zavattini, G; Zerbo, S; Zhong, M; Zhu, T; Geppert, C; Riemer, J

EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C 83 巻 ( 6 ) 2023年6月

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出版者・発行元：European Physical Journal C

A low-energy electronic recoil calibration of XENON1T, a dual-phase xenon time projection chamber, with an internal 37 Ar source was performed. This calibration source features a 35-day half-life and provides two mono-energetic lines at 2.82 keV and 0.27 keV. The photon yield and electron yield at 2.82 keV are measured to be (32.3±0.3) photons/keV and (40.6±0.5) electrons/keV, respectively, in agreement with other measurements and with NEST predictions. The electron yield at 0.27 keV is also measured and it is (68.0-3.7+6.3) electrons/keV. The 37 Ar calibration confirms that the detector is well-understood in the energy region close to the detection threshold, with the 2.82 keV line reconstructed at (2.83±0.02) keV, which further validates the model used to interpret the low-energy electronic recoil excess previously reported by XENON1T. The ability to efficiently remove argon with cryogenic distillation after the calibration proves that 37 Ar can be considered as a regular calibration source for multi-tonne xenon detectors.

DOI： 10.1140/epjc/s10052-023-11512-z

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A next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics Open Access

Aalbers, J; AbdusSalam, SS; Abe, K; Aerne, ; Agostini, F; Maouloud, SA; Akerib, DS; Akimov, DY; Akshat, J; Al Musalhi, AK; Alder, F; Alsum, SK; Althueser, L; Amarasinghe, CS; Amaro, FD; Ames, A; Anderson, TJ; Andrieu, B; Angelides, N; Angelino, E; Angevaare, J; Antochi, VC; Martin, DA; Antunovic, B; Aprile, E; Araújo, HM; Armstrong, JE; Arneodo, F; Arthurs, M; Asadi, P; Baek, S; Bai, X; Bajpai, D; Baker, A; Balajthy, J; Balashov, S; Balzer, M; Bandyopadhyay, A; Bang, J; Barberio, E; Bargemann, JW; Baudis, L; Bauer, D; Baur, D; Baxter, A; Baxter, AL; Bazyk, M; Beattie, K; Behrens, J; Bell, NF; Bellagamba, L; Beltrame, P; Benabderrahmane, M; Bernard, EP; Bertone, GF; Bhattacharjee, P; Bhatti, A; Biekert, A; Biesiadzinski, TP; Binau, AR; Biondi, R; Biondi, Y; Birch, HJ; Bishara, F; Bismark, A; Blanco, C; Blockinger, GM; Bodnia, E; Boehm, C; Bolozdynya, A; Bolton, PD; Bottaro, S; Bourgeois, C; Boxer, B; Brás, P; Breskin, A; Breur, PA; Brew, CAJ; Brod, J; Brookes, E; Brown, A; Brown, E; Bruenner, S; Bruno, G; Budnik, R; Bui, TK; Burdin, S; Buse, S; Busenitz, JK; Buttazzo, D; Buuck, M; Buzulutskov, A; Cabrita, R; Cai, C; Cai, D; Capelli, C; Cardoso, JMR; Carmona-Benitez, MC; Cascella, M; Catena, R; Chakraborty, S; Chan, C; Chang, S; Chauvin, A; Chawla, A; Chen, H; Chepel, ; Chott, N; Cichon, D; Chavez, AC; Cimmino, B; Clark, M; Co, RT; Colijn, AP; Conrad, J; Converse, M; Costa, M; Cottle, A; Cox, G; Creaner, O; Garcia, JJC; Cussonneau, JP; Cutter, JE; Dahl, CE; D'Andrea, V; David, A; Decowski, MP; Dent, JB; Deppisch, FF; de Viveiros, L; Di Gangi, P; Di Giovanni, A; Di Pede, S; Dierle, J; Diglio, S; Dobson, JEY; Doerenkamp, M; Douillet, D; Drexlin, G; Druszkiewicz, E; Dunsky, D; Eitel, K; Elykov, A; Emken, T; Engel, R; Eriksen, SR; Fairbairn, M; Fan, A; Fan, JJ; Farrell, SJ; Fayer, S; Fearon, NM; Ferella, A; Ferrari, C; Fieguth, A; Fieguth, A; Fiorucci, S; Fischer, H; Flaecher, H; Flierman, M; Florek, T; Foot, R; Fox, PJ; Franceschini, R; Fraser, ED; Frenk, CS; Frohlich, S; Fruth, T; Fulgione, W; Fuselli, C; Gaemers, P; Gaior, R; Gaitskell, RJ; Galloway, M; Gao, F; Garcia, IG; Genovesi, J; Ghag, C; Ghosh, S; Gibson, E; Gil, W; Giovagnoli, D; Girard, F; Glade-Beucke, R; Glück, F; Gokhale, S; de Gouvêa, A; Gráf, L; Grandi, L; Grigat, J; Grinstein, B; van der Grinten, MGD; Grössle, R; Guan, H; Guida, M; Gumbsheimer, R; Gwilliam, CB; Hall, CR; Hall, LJ; Hammann, R; Han, K; Hannen, ; Hansmann-Menzemer, S; Harata, R; Hardin, SP; Hardy, E; Hardy, CA; Harigaya, K; Harnik, R; Haselschwardt, SJ; Hernandez, M; Hertel, SA; Higuera, A; Hils, C; Hochrein, S; Hoetzsch, L; Hoferichter, M; Hood, N; Hooper, D; Horn, M; Howlett, J; Huang, DQ; Huang, Y; Hunt, D; Iacovacci, M; Iaquaniello, G; Ide, R; Ignarra, CM; Iloglu, G; Itow, Y; Jacquet, E; Jahangir, O; Jakob, J; James, RS; Jansen, A; Ji, W; Ji, X; Joerg, F; Johnson, J; Joy, A; Kaboth, AC; Kalhor, L; Kamaha, AC; Kanezaki, K; Kar, K; Kara, M; Kato, N; Kavrigin, P; Kazama, S; Keaveney, AW; Kellerer, J; Khaitan, D; Khazov, A; Khundzakishvili, G; Khurana, ; Kilminster, B; Kleifges, M; Ko, P; Kobayashi, M; Kodroff, D; Koltmann, G; Kopec, A; Kopmann, A; Kopp, J; Korley, L; Kornoukhov, VN; Korolkova, E; Kraus, H; Krauss, LM; Kravitz, S; Kreczko, L; Kudryavtsev, VA; Kuger, F; Kumar, J; Paredes, BL; LaCascio, L; Laha, R; Laine, Q; Landsman, H; Lang, RF; Leason, EA; Lee, J; Leonard, DS; Lesko, KT; Levinson, L; Levy, C; Li, ; Li, SC; Li, T; Liang, S; Liebenthal, CS; Lin, J; Lin, Q; Lindemann, S; Lindner, M; Lindote, A; Linehan, R; Lippincott, WH; Liu, X; Liu, K; Liu, J; Loizeau, J; Lombardi, F; Long, J; Lopes, M; Asamar, EL; Lorenzon, W; Lu, C; Luitz, S; Ma, Y; Machado, PAN; Macolino, C; Maeda, T; Mahlstedt, J; Majewski, PA; Manalaysay, A; Mancuso, A; Manenti, L; Manfredini, A; Mannino, RL; Marangou, N; March-Russell, J; Marignetti, F; Undagoitia, TM; Martens, K; Martin, R; Martinez-Soler, ; Masbou, J; Masson, D; Masson, E; Mastroianni, S; Mastronardi, M; Matias-Lopes, JA; McCarthy, ME; McFadden, N; McGinness, E; McKinsey, DN; McLaughlin, J; McMichael, K; Meinhardt, P; Menéndez, J; Meng, Y; Messina, M; Midha, R; Milisavljevic, D; Miller, EH; Milosevic, B; Milutinovic, S; Mitra, SA; Miuchi, K; Mizrachi, E; Mizukoshi, K; Molinario, A; Monte, A; Monteiro, CMB; Monzani, ME; Moore, JS; Morå, K; Morad, JA; Mendoza, JDM; Moriyama, S; Morrison, E; Morteau, E; Mosbacher, Y; Mount, BJ; Mueller, J; Murphy, AS; Murra, M; Naim, D; Nakamura, S; Nash, E; Navaieelavasani, N; Naylor, A; Nedlik, C; Nelson, HN; Neves, F; Newstead, JL; Ni, K; Nikoleyczik, JA; Niro, ; Oberlack, UG; Obradovic, M; Odgers, K; Oikonomou, P; Olcina, ; Oliver-Mallory, K; Oranday, A; Orpwood, J; Ostrovskiy, ; Ozaki, K; Paetsch, B; Pal, S; Palacio, J; Palladino, KJ; Palmer, J; Panci, P; Pandurovic, M; Parlati, A; Parveen, N; Patton, SJ; Pec, ; Pellegrini, Q; Penning, B; Pereira, G; Peres, R; Perez-Gonzalez, Y; Perry, E; Pershing, T; Petrossian-Byrne, R; Pienaar, J; Piepke, A; Pieramico, G; Pierre, M; Piotter, M; Pizzella, ; Plante, G; Pollmann, T; Porzio, D; Qi, J; Qie, Y; Qin, J; Quevedo, F; Raj, N; Silva, MR; Ramanathan, K; García, DR; Ravanis, J; Redard-Jacot, L; Redigolo, D; Reichard, S; Reichenbacher, J; Rhyne, CA; Richards, A; Riffard, Q; Rischbieter, GRC; Rocchetti, A; Rosenfeld, SL; Rosero, R; Rupp, N; Rushton, T; Saha, S; Salucci, P; Sanchez, L; Sanchez-Lucas, P; Santone, D; dos Santos, JMF; Sarnoff, ; Sartorelli, G; Sazzad, ABMR; Scheibelhut, M; Schnee, RW; Schrank, M; Schreiner, J; Schulte, P; Schulte, D; Eissing, HS; Schumann, M; Schwemberger, T; Schwenk, A; Schwetz, T; Lavina, LS; Scovell, PR; Sekiya, H; Selvi, M; Semenov, E; Semeria, F; Shagin, P; Shaw, S; Shi, S; Shockley, E; Shutt, TA; Si-Ahmed, R; Silk, JJ; Silva, C; Silva, MC; Simgen, H; Simkovic, F; Sinev, G; Singh, R; Skulski, W; Smirnov, J; Smith, R; Solmaz, M; Solovov, VN; Sorensen, P; Soria, J; Sparmann, TJ; Stancu, ; Steidl, M; Stevens, A; Stifter, K; Strigari, LE; Subotic, D; Suerfu, B; Suliga, AM; Sumner, TJ; Szabo, P; Szydagis, M; Takeda, A; Takeuchi, Y; Tan, PL; Taricco, C; Taylor, WC; 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Zhuang, Y; Zopounidis, JP; Zuber, K; Zupan, J

JOURNAL OF PHYSICS G-NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS 50 巻 ( 1 ) 2023年1月

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出版者・発行元：Journal of Physics G Nuclear and Particle Physics

The nature of dark matter and properties of neutrinos are among the most pressing issues in contemporary particle physics. The dual-phase xenon time-projection chamber is the leading technology to cover the available parameter space for weakly interacting massive particles, while featuring extensive sensitivity to many alternative dark matter candidates. These detectors can also study neutrinos through neutrinoless double-beta decay and through a variety of astrophysical sources. A next-generation xenon-based detector will therefore be a true multi-purpose observatory to significantly advance particle physics, nuclear physics, astrophysics, solar physics, and cosmology. This review article presents the science cases for such a detector.

DOI： 10.1088/1361-6471/ac841a

Open Access

Web of Science

Scopus
DARWIN実験のための低ノイズSiPMの開発 Open Access

坂元舜, 長谷川智哉, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊, 山下雅樹

日本物理学会講演概要集 78.1 巻 ( 0 ) 頁： 152 - 152 2023年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.78.1.0_152

Open Access

CiNii Research
密閉型液体キセノン検出器のためのガス循環システムの開発 Open Access

宮田瑠太, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊, 平岡楓, 山下雅樹

日本物理学会講演概要集 78.2 巻 ( 0 ) 頁： 314 - 314 2023年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.78.2.0_314

Open Access

CiNii Research
光検出器性能評価のための真空紫外光分光システムの開発 Open Access

平岡楓, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊, 宮田瑠太

日本物理学会講演概要集 78.2 巻 ( 0 ) 頁： 313 - 313 2023年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.78.2.0_313

Open Access

CiNii Research
XENONnT実験の現状報告 Open Access

風間慎吾, 安部航, 伊藤好孝, Martens Kai, 神長香乃, 小林雅俊, 竹内康雄, 竹田敦, 濱田悠斗, 平岡楓, 身内賢太朗, 宮田瑠太, 森山茂栄, 山下雅樹, the XENON collaboration

日本物理学会講演概要集 78.2 巻 ( 0 ) 頁： 176 - 176 2023年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.78.2.0_176

Open Access

CiNii Research
XENONnT実験による太陽ニュートリノの探索 Open Access

小林雅俊, XENON collaboration

日本物理学会講演概要集 78.2 巻 ( 0 ) 頁： 177 - 177 2023年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.78.2.0_177

Open Access

CiNii Research
XENONnT実験による太陽ppニュートリノ信号の探索 Open Access

小林雅俊, XENON collaboration

日本物理学会講演概要集 78.1 巻 ( 0 ) 頁： 494 - 494 2023年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.78.1.0_494

Open Access

CiNii Research
DARWIN実験のための低ノイズSiPMの開発 Open Access

坂元舜, 長谷川智哉, 伊藤好孝, 風間慎吾, 小林雅俊, 山下雅樹

日本物理学会講演概要集 78.2 巻 ( 0 ) 頁： 312 - 312 2023年

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記述言語：日本語出版者・発行元：一般社団法人日本物理学会

DOI： 10.11316/jpsgaiyo.78.2.0_312

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科研費 9

Pd膜を用いた希ガス中の微量水素測定による暗黒物質探索の高感度化

研究課題/研究課題番号：25K17411 2025年4月 - 2028年3月

科学研究費助成事業若手研究

小林雅俊

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担当区分：研究代表者

配分額：4680000円（直接経費：3600000円、間接経費：1080000円）

我々の宇宙には暗黒物質と呼ばれる未知の質量が存在しており、その正体を明らかにするための"直接探索実験"では、キセノンなどの物質と暗黒物質が極稀に衝突する現象の観測を目指している。高感度な探索には検出器内の放射性不純物の除去と評価が不可欠で、本研究では特にトリチウムに関して評価を行う。微量なトリチウムの評価のため、パラジウム膜を用いてキセノン中からトリチウムを含む水素のみを取り出し分析する装置の開発に取り組む。
国際協力研究で挑む宇宙暗黒物質の正体解明

研究課題/研究課題番号：24KK0067 2024年9月 - 2028年3月

科学研究費助成事業国際共同研究加速基金(海外連携研究)

身内賢太朗, 小林雅俊, 吉田将

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担当区分：研究分担者

本研究は、世界をリードする直接探索実験であるXENON・DARWIN・CYGNUSの3実験を推進、包括的な議論によって最適な戦略を選択、宇宙暗黒物質の正体に迫ることを目標とする。現行実験であるXENON実験では、イタリア・グランサッソ国立研究所にて観測を行い、未探索領域を探索する。XENON実験の10倍の規模を持つ将来計画であるDARWIN実験についてはポルトガルのコインブラ大グループと光センサーの共同開発を行う。方向に感度を持つ暗黒物質探索計画CYGNUS実験については、オーストラリアグループとの検出器共同開発を行い、神岡の装置への導入準備を進め日本主導の体制を構築する。
本研究は、世界をリードする直接探索実験であるXENON・DARWIN・CYGNUSの3実験を推進、研究会「DM Vision」による包括的な議論によって最適な戦略を選択、宇宙暗黒物質の正体に迫ることを目標とする。2024年度は、XENON実験の検出器のアップグレードに向けた研究を進め、検出器の高感度化についての議論をイタリア・グランサッソ国立研究所にて行った。また、XENON実験で国内のグループの貢献の大きい中性子反同時計測装置の論文の執筆を進め、EPJC誌への掲載が決定した(出版は2025年度)。その他、太陽ニュートリノの原子核反跳の初観測、その領域での暗黒物質探索実験の結果を出版するなど、暗黒物質直接探索にとってマイルストーン的な結果を出版した。CYGNUSに関連しては低バックグラウンドの検出器の開発に関する論文を出版した。
2024年度は、XENON実験の検出器のアップグレードに向けた研究を進め、検出器の高感度化についての議論をイタリア・グランサッソ国立研究所にて行い、2025年度の研究の準備が整った。また、XENON実験で国内のグループの貢献の大きい中性子反同時計測装置の論文の執筆を進め、EPJC誌への掲載が決定した(出版は2025年度)。その他、太陽ニュートリノの原子核反跳の初観測、その領域での暗黒物質探索実験の結果を出版するなど、暗黒物質直接探索にとってマイルストーン的な結果を出版した。CYGNUSに関連しては低バックグラウンドの検出器の開発に関する論文を出版した。
2025年度には、XENON実験の検出器アップグレードが開始される。分担者、海外の協力研究者との連携を密に取り、スケジュール通りに作業が進行する様に準備を行う。
超大型液体キセノン検出器で解明する宇宙暗黒物質の謎

研究課題/研究課題番号：24H02240 2024年4月 - 2029年3月

科学研究費助成事業学術変革領域研究(A)

風間慎吾, MARTENS Kai, 安部航, 森山茂栄, 小林雅俊, 中村正吾

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担当区分：研究分担者

本研究では暗黒物質の直接探索を行い、その正体を解明する。特に、世界最大9トンの液体キセノンから成るXENONnT検出器を用いて、暗黒物質がキセノン原子核を反跳する現象を観測する。この実現には背景事象となる中性子バックグラウンドの削減が不可欠であり、本研究では中性子検出器の高感度化を行い極低放射能環境を実現する。これにより、約4年間の観測を行うことで、暗黒物質と核子の散乱断面積に対して世界最高感度の2×10^-48cm^2を達成する。加えて、太陽・超新星ニュートリノの観測を行い、低エネルギー領域において新たなニュートリノ天文学の開拓を行うとともに、新たな極低放射能検出器の開発を行う。
XENONnT実験での暗黒物質探索と次世代大型液体キセノン実験への展開

研究課題/研究課題番号：24H00223 2024年4月 - 2028年3月

科学研究費助成事業基盤研究(A)

伊藤好孝, 山下雅樹, 風間慎吾, 森山茂栄, 小林雅俊

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担当区分：研究分担者

宇宙の質量の大部分を担う暗黒物質は未知の素粒子と考えられる。本研究は、8.5トン液体キセノンを用いた2相式タイムプロジェクションチェンバー (TPC)検出器によるXENONnT実験において、検出器中ラドンや電極からの二次電子放出など、検出器の大型化に起因する背景事象の理解と低減を進め、史上最高感度での暗黒物質・新物理の探索を行う。また、これらの知見を、次世代の超大型50トン液体キセノン検出器を用いた暗黒物質探索DARWIN実験の設計へフィードバックする。これに向けて開発中の密閉型TPC検出器にマイクロストリップ型石英板電極の導入を行い、3kg半密閉型液相1相式TPCを製作する。
今年度は、280日あまりの観測データを用いた暗黒物資探索の結果を公表した。暗黒物質の証拠となる有意な信号は見られず、暗黒物質と核子との散乱断面積に対する上限値として、2023年に97日分データから得た初期成果に比べ、感度を1.8倍改善した結果を得た。また、太陽B-8ニュートリノとキセノン原子核とのコヒーレント散乱による原子核反跳事象の観測に初めて成功し、従来の太陽ニュートリノ実験の観測値とよく一致する結果を得た。この結果は、太陽ニュートリノという自然ニュートリノを暗黒物質検出器での原子核反跳により初めて検出した例であり、探索の感度が自然ニュートリノ源による背景事象によって制限されうる“ニュートリノの霧”の領域に突入したことを示す、重要なマイルストーンである。
将来の60トン級液体キセノン暗黒物質探索実験XLZDへ向けた密閉型液体キセノン検出器開発として、石英ガラスフランジ型容器外側に導入したラドンガスが、容器内側へ浸透する量を測定し、密閉型検出器のラドン遮蔽性能を初めて評価し、容器内外比として0.0070±0.0013という値を得た。これはラドン遮蔽能力として目標とした内外ラドン比1%以下を十分上回る性能である。また、この測定のために、容器内外の液体キセノンを独立循環させる循環ラインを初めて立ち上げた。さらに、石英フランジ密閉型TPCのオプションとして、石英板に生成した10ミクロン線幅の薄膜細線電極をアノード電極して用いた液相１相式液体キセノンTPCを開発し、アノード電極近傍での比例蛍光観測に成功した。これは密閉型TPCを液相１相式として実現する大きなマイルストーンとなった。
XENONnT実験は、実験開始直後に公開した97日分のデータ解析の結果をアップデートし、280日分データの解析へ拡張し、暗黒物質探索の結果など主な物理成果を公表した。特に太陽B-8ニュートリノによるキセノン原子核の原子核反跳事象の同定は、暗黒物質の探索感度を実証する大きなマイルストーンとなった。電極故障のため当初予定の粒子識別性能が達成できていないものの、それ以外の性能は概ね当初目標を達成している。故障電極の修理作業にも目処がたち、2025年度に検出器改修作業が予定されている。
一方、密閉型TPC開発については、液体キセノンを容器内外で独立循環させる循環ラインが立ち上がり、これを用いた石英密閉容器のラドン遮蔽性能が、ガスキセノン対象ながら定量的に評価された。今後液体キセノンでのラドン遮蔽性能評価に向けた体制が整ったと言える。また、石英薄膜細線電極についても開発が進み試作品の製作を行い、実際に１相式液体キセノンTPCに組み込んでS2発光の確認に至った。これらのことから、研究はおおむね順調に進展している、と評価される。
2025年度に進行中のXENONnT検出器改修作業に参加し、故障電極交換やキセノン中のトリチウム除去、など暗黒物質探索感度の向上を行いながら、検出器の再立ち上げ作業を行う。また電子反跳事象による太陽ppニュートリノ初観測にむけて、現在進行中の解析結果を取りまとめ公表する。また、XLZDに向けた検出器開発として、石英密閉型TPCにおいて、液体キセノン循環モードでのラドン遮蔽能力の評価を行うと共に、TPC検出器として開発目標として、石英薄膜細線電極をフランジ端板に形成しアノード電極とした、液相１相型TPCを設定し、そのTPCとしての性能を明らかにすると共に、将来のXLZD実験への適用について検討結果を取りまとめる。これらの研究の推進のため、本経費で研究員１名を雇用し活動の中核を担わせる。
薄膜電極を用いた液体キセノン検出器の新たな可能性の開拓

研究課題/研究課題番号：24K00659 2024年4月 - 2027年3月

科学研究費助成事業基盤研究(B)

風間慎吾, 小林雅俊, 身内賢太朗

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担当区分：研究分担者

本研究の目的は、宇宙に存在する未知の物質、暗黒物質を発見しその正体を解明することにある。液体キセノンを約9トン用いた暗黒物質の直接探索実験XENONnTは、ウィーノなど重い暗黒物質に対して高い感度を持つが、ワイヤー電極に由来した問題(断線・放電)により放射性ラドン由来の背景事象が設計値より約10倍多く、その発見感度が約3倍悪化する深刻な状況にある。本研究では、石英基板上に金属薄膜を成膜し、これを電極として用いた新たな液体Xe検出器(薄膜電極液体Xe検出器)の開発を行い、暗黒物質の直接探索実験として究極的な感度とも言える太陽・大気ニュートリノのコヒーレント散乱の観測に手が届く感度を実現する。
液体キセノン(Xe)を約9トン用いた暗黒物質の直接探索実験XENONnTは、ワイヤー電極に由来した問題(断線・放電)により放射性ラドン由来の背景事象が設計値より約10倍多く、暗黒物質の発見感度が約3倍悪化する深刻な状況にある。本研究では、この問題の解決に向けて石英基板上にマイクロストリップ電極を成膜し、これを電極として用いることで液体キセノン中で比例蛍光(S2信号)を発生させる新たな一相式液体Xe検出器の開発を行った。
 
液体キセノン中でS2信号を生成するのに必要となる電場は数400kV/cm程度で、その実現には数マイクロメートルの極細パターンを持つ電極を真空紫外光に対して透明な石英ガラス上に作成し、電極に5kV程度の高電圧を印加する必要がある。本年度は豊田工業大学と連携を行い、26mm角、2mm厚の石英ガラスの両面上にマイクロストリップ電極を製作する方法を確立した。成膜に際しては、フォトリソグラフィを用いたパターニング方法をもとに、マスクレスとマスクアライナー露光の二つの方法を用いることで、平均4.4μm、標準偏差0.3μmと安定したストリップのパターニングを形成することに成功した。また真空中での高電圧印加試験の結果、放電することなく5kVの高電圧の印加にも成功した。
フォトリソグラフィの専門家である豊田工業大学(佐々木実先生の研究グループ)と連携を行うことで、マイクロストリップ電極の制作方法を確立することに成功し、高電圧印加試験に関しても真空中で放電することなく5kVの高電圧の印加に成功したため。
今後は開発したマイクロストリップ電極を用いて実際に液体中でS2信号を生成できるか試験を行う。また、二相式液体キセノン検出器と性能を比較するため、1電子に対してどれくらいの比例蛍光が発生するかというS2ゲインの詳細な評価を行う。
XENONnT検出器を用いた低エネルギー電子反跳事象に対する高感度観測

研究課題/研究課題番号：23K13121 2023年4月 - 2025年3月

科学研究費助成事業若手研究

小林雅俊

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担当区分：研究代表者

配分額：2600000円（直接経費：2000000円、間接経費：600000円）

イタリア・グランサッソで行われる暗黒物質探索実験XENONnTは、2022年の初期成果でkeV領域においてこれまでにない低放射能バックグラウンド環境を実現したことを示した。本研究ではこの極低放射データを用い、解析によってバックグラウンドの不定性を削減することでこれまで観測されたことのない数keV領域における太陽ニュートリノの反跳信号の観測を目指す。
本研究の目的は、我々にとって最も身近な恒星である太陽から飛来するニュートリノのうち、数keV程度の極めて低エネルギーな成分を初めて測定することである。このようなエネルギーの事象は天然放射能によるノイズとの区別が難しかったが、大型液体キセノン実験XENONnTで実現した極低放射能環境により、観測が現実的となった。確かな観測のため残る天然放射能であるラドンを精密に推定する必要があり、本研究ではキャリブレーションの実施により誤差を40%から5%まで削減した。またエネルギースペクトルをフィットする手法の開発にも取り組んでおり、今後実際のニュートリノ探索に適用することで初観測を目指す。
本研究では100keV以下のエネルギー領域における太陽ニュートリノの定量的な観測を目的とする。このようなエネルギーにおけるニュートリノ相互作用の観測は初めての試みで、太陽の観測だけでなく将来的な低エネルギーにおけるワインバーグ角の測定などニュートリノの素粒子的な性質の測定の先駆けとしても意義をもつ。
液体キセノン検出器ではこれまでラドン由来事象の不定性が大きくこの観測は難しかったが、本研究でキャリブレーションとα線解析を利用したラドン由来事象の推定法を確立したことで現実的となった。将来実験にむけても同様の手法を用いることで、低エネルギー事象の詳細な理解が可能となるだろう。
大型液体キセノン検出器XENONnTを用いた暗黒物質の直接探索

研究課題/研究課題番号：22KJ1516 2023年3月 - 2024年3月

科学研究費助成事業特別研究員奨励費

小林雅俊

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担当区分：研究代表者

配分額：4810000円（直接経費：3700000円、間接経費：1110000円）

本研究では大型液体キセノン検出器XENONnTを用い、我々の宇宙に存在する未知の質量である暗黒物質を発見することを目指す。XENONnT実験は2022年度に初期観測データを用いた解析結果を公表した後、更なるバックグラウンド低減を経て観測が継続されており、本データを解析して暗黒物質探索を行う。また更なる将来実験へ向けたR&Dにも取り組んでいく。
様々な天文観測から、我々の宇宙には暗黒物質と呼ばれる未知の物質が通常の物質の５倍以上存在すると言われている。その中でも有力な候補が未発見の素粒子で、質量が重く弱い相互作用程度のスケールで核子と相互作用するWIMPや、電子と弱く相互作用するアクシオン様粒子(ALP)などが挙げられてきた。
本研究では、イタリアで行われる国際実験XENONnT実験により、キセノンと暗黒物質のごく稀な相互作用を通して暗黒物質探索を行った。研究期間全体を通して主に、XENONnT実験の検出器に関するコミッショニング、物理データ取得およびその解析に取り組んだ。XENONnT実験は2021年度から初期観測を開始しており、報告者はイタリアに長期滞在、現地の運転責任者としてクリプトンや中性子を用いたキャリブレーションデータの取得や、検出器にかける電圧の最適化など、安定的なデータの取得のための取り組みを指揮した。また得られたデータの解析として、特に検出器中のキセノン純度の影響を明らかにし、2022年度には太陽アクシオンやALPなどに関して世界最高感度の探索結果を発表している。2023年度には、同データを用い最も重要なモデルであるWIMPに関しても前身実験の感度を約2倍更新する探索を行うとともに、太陽から飛来するニュートリノ事象の探索など暗黒物質にとどまらない物理・天文現象の観測にも取り組んだ。
また並行して、名古屋大学における小型装置を用いたXENONnT実験の将来計画に関するR&Dにも取り組んだ。キセノン純度のさらなる向上のため、ラドンやトリチウムといったキセノン中の放射性不純物を削減するとともに、微量な不純物を定量的に測定するための技術開発に取り組み、日本物理学会などで発表を行なっている。
大型液体キセノン検出器を用いた宇宙暗黒物質及び新現象の研究

研究課題/研究課題番号：22H00127 2022年4月 - 2026年3月

科学研究費助成事業基盤研究(A)

山下雅樹, 柿内秀樹, 風間慎吾, 小林雅俊, 小川洋, BUI TUANKHAI

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担当区分：研究分担者

暗黒物質は宇宙の約80%の物質を占めていると考えられているが,それが何であるか分かっていない。暗黒物質が発見されれば宇宙の解明に大きく前進をもたらす。XENON実験,またその後継機DARWIN実験はその暗黒物質を地下実験室にて直接探索を目的としており最も良い感度で実験を行い発見が期待される。本研究では,観測データのノイズを同定し,新規光センサーの開発を行い,検出器の高感度化を目指す。
本研究では、液体キセノン検出器による宇宙暗黒物質および新物理現象の探索を目的とし、XENONnT実験のデータ解析と次世代検出器の基盤技術開発を推進した。XENONnTにおいては、徹底したバックグラウンド低減を経て高感度の暗黒物質直接探索を実現し、暗黒物質直接探索のマイルストーンであるコヒーレント散乱を利用した^8B太陽ニュートリノの観測に成功した。強調すべきは暗黒物質直接探索検出器が天体ニュートリノを観測出来ることが実証したことになる。今後統計を上げさらに感度を上げた測定を計画している。さらに，超新星ニュートリノがあった場合，これも観測可能で，特筆すべきは電子散乱や逆ベータ崩壊による観測とは違い，コヒーレント散乱を用いるのでフレーバーに依存しない観測が可能であることである。この点から他のニュートリノ検出機に相補的な情報を与えることができる。
トリチウムに関しては、神岡にて極微量水素の開発が進められた（目標ははpptレベル）。残留ガス分析装置（RGA）を用いた水素分圧測定において，RGA自身の温度を下げ，環境温度を一定に保つことで感度を上げる評価を行った。このためにRGAにペルチェ素子を取り付け，温度を下げかつ一定に保つことで2桁以上（＜80ppt）感度上昇が期待できることが初期実験から見積もっている。
2024年12月にXENON-LZ-DARWIN (XLZD) collaborationの発足することができた。
次世代計画XLZDに向けて、光センサー検出器開発を進めており、東京大学，名古屋大学，チューリッヒ大学が中心となりXMASSによって開発した技術を用いてさらなる極低放射能PMTの開発始めた。現在部材（低放射能ガラスなど）を神岡の低バックグラウンドゲルマニウム検出器で測定を進めている。
コヒーレント散乱を利用した^8B太陽ニュートリノの観測の結果はPhysics Review Lettersに掲載され，Editors's suggestin, Featured in Physics, Physics Review Letters Collection in 2024に選ばれ，高く評価された。これは暗黒物質検出機が初めてニュートリノの’霧’に到達をしたことを示すものである。
また，XENONnTによるニュートリノ・フォグ中の軽い暗黒物質の初探索を行い報告を行うことができた。
XLZDコラボレーションは液体キセノンを用いて20年以上に渡り最も良い感度でDM探索を行った実績をもつグループからなり50-100トンを用いた世界で最も良い感度をもつ究極のキセノン検出器を目標としている。物理探索では暗黒物質直接探索のみならず，ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊探索，天体ニュートリノ観測を包括する。
今後の推進方策として、まずScience Run 0（SR0）およびSR1を合わせた観測データ（3.1トン・年）に基づく暗黒物質直接探索の成果について、論文として取りまとめ、公開報告を進める。
コヒーレント散乱を用いた太陽ニュートリノ観測では，統計量を上げ3シグマ以上の信頼度の観測をめざす。（現在は2.7σ）
さらに、次段階となるSR2データを用いた解析を実施し、特に検出器内表面に起因するバックグラウンドや、未解明の光電離現象の理解を深化させる。
 
トリチウムに関連した微量水素測定での開発では実験環境の安定化に向け、引き続き低アウトガス型の残留ガス分析計（RGA）を活用し、冷却および温度安定性の向上を図った測定体制を進め，最終結果をまとめる。
次世代XLZD検出器性能のさらなる向上を目指し、低放射能材料を用いた新型光電子増倍管（PMT）の設計を推進中であり、とりわけPMTステム部に使用される低放射能ガラスの放射能評価を重点的に進めている。
XENON実験での電子反跳による新物理探索と密閉型TPC検出器による新展開

研究課題/研究課題番号：21H04466 2021年4月 - 2025年3月

科学研究費助成事業基盤研究(A)

伊藤好孝, 山下雅樹, 風間慎吾, 森山茂栄, 小林雅俊

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担当区分：研究分担者

宇宙の質量の大部分を担う暗黒物質は、未知の重い素粒子WIMPが有力視されているが。近年XENON1T実験で低エネルギーの電子の観測数に予想を超える超過が見つかり、未知の軽い素粒子の可能性も出てきた。本研究では、8トン液体キセノンを用いたXENON1T実験後継のXENONnT実験により、この電子超過問題の検証を中心に史上最高感度での暗黒物質・新物理の探索を行うともに、その探索性能の限界を決めている内部からの放射性不純物の侵入を低減する密閉型液体キセノン検出器を開発し、10kgのプロトタイプを製作して性能を検証し、次世代40トン級液体キセノン暗黒物質検出器への道筋をつける。
8トン液体キセノンを用いた暗黒物質探索実験XENONnTにおいて、前身のXENON1T実験で報告された電子反跳事象の超過を否定する結果を得ると共に、世界最高感度での暗黒物質探索を行い、WIMP暗黒物質と核子との散乱弾面積上限値として2.58x10^-47 cm^2を得た。また、将来の50トン級大型液体キセノン暗黒探索DARWINにむけて、検出器内部のラドン濃度を従来の1/10に削減するため、検出器中央を石英フランジ容器で隔離する密閉型TPC検出器とその運用のためのキセノンテストベンチの開発を行い、石英フランジ容器のラドン遮蔽能力を実測し、この手法で内部ラドン低減が可能であることを示した。
８トン液体キセノン検出器XENONnT検出器を立ち上げ、特に電子反跳事象の背景事象となる内部ラドンの低減を実現し、1μBq/kgという世界最高感度の測定環境を達成したことは非常に大きい。この結果から、XENON1T実験で示唆された電子反跳事象を作る太陽アクシオンや電子反跳型暗黒物質の存在に厳しい制限を得ることに成功した。また、将来実験DARWINでのさらなる内部ラドンの低減のため、石英密閉フランジ容器を実際に製作し、それを内包する２相式液体キセノンTPC検出器を設計・製作し、運用する液体キセノンラインを立ち上げた。これにより将来の暗黒物質探索実験に向けた研究開発を飛躍的に進める環境が整った。

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