宇宙に存在して質量は持つが光学的に直接観測できない物質がダークマター（暗黒物質）であり、それを検出する装置の一部が液体キセノン検出器である。ここでは、検出器の構造とその原理、キセノンを使う理由について解説する。
装置の構造
検出器の構造は下の図のようになっていて、中心に液体キセノン（約マイナス１００℃）が入れらていて、その外側に光電子増倍管が配置されている。その検出器の外側は水で満たされている。
アメリカの検出器の構造
ダークマターがキセノン原子核と弾性散乱する際にエネルギーの一部を落とすか、キセノンの電子と衝突することで発光現象が起き、その光を光電子増倍管によって検出するのが測定原理である。外側を水で満たすのは、ガンマ線を遮蔽してノイズを低減するためである。ノイズの原因は様々で、水以外にもプラスチック板など様々な遮蔽物でノイズの低減が極限まで施されている。
発光の原理とキセノンを使う理由
上記のように、ダークマターが液体キセノンの容器に入射し衝突すると光が発生する（S1）、それと同時に電子がたたき出され検出器には電極がかけられているので、電子は陽極に引き寄せられて上部ガス状のキセノンと衝突し遅延光が発せられる（S2）。
発光の原理
液体キセノンを使う理由は下記のこと挙げられる
- シンチレーション光を発生し、その発光量が大きいこと
- キセノンの質量数が大きいこと
- アルゴン、クリプトンと違い、キセノンには有感領域での固有のバックグラウンドとなる長寿命のアイソトープがないこと
２に関して質量するが大きいとノイズを遮蔽する能力が高いことにつながる。これによりはダークマターを測定するのに有効な液体キセノンのエリア外でノイズを遮蔽するのに役立つ。３に関して、放射性同位体である39Arは数百年、81Krは、数十万年の半減期があるため、ノイズの原因となる。一方でキセノンの天然の同位体がなく、人工合成された同位体でも数十日と短いため、放射性同位体からのノイズが少ない。
キセノンは、希ガスであり0.087 ppmしか空気中に存在しない。酸素や窒素、アルゴンガスを空気分離によって精製する際の低沸点副生成物をさらに蒸留して高純度のキセノンガスは得られている。そのため非常に高価なガスで一キロ数十万円以上する。ダークマター観測では、キセノンの純度にも実験が左右されるため、精製装置によってキセノンの純度をさらに上げている。
世界の研究活動
いくつかのグループが、この方法でダークマターの検出に取り組んでいる。日本では、岐阜県飛騨市神岡鉱山内にXMASS実験施設があり、800Kgのキセノンが入った検出で測定を行っている。ただし、5から10トンのキセノンを使用する施設改修の計画があったが、予算のめどがたたかなかったことや他国ではすでにより高感度の施設の計画があることから来年末で観測プロジェクトを終了することが決まった。
イタリアには３トンのキセノンを使った施設で観測が試みられていて、アメリカでは、7トンから20トンのキセノンを使った観測施設が2020年に完成する。キセノンが多い検出器ほど検出感度が高いが、世界中で年間40トンしかキセノンは生産されておらず、半導体製造や人工衛星のイオンエンジンなどほかの用途でも需要が高まっているため、大量のキセノンを調達することは容易ではない。
一方で、キセノンを使わない検出法も研究されていて超流動ヘリウムを使った研究結果が最近報告された。これにより軽いダークマターを観測できると研究者らは主張している。
関連書籍
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- XMASS:XMASS公式サイト、ダークマターの解説のほか、施設内部をVRで見ることができ、スーパーカミオカンデと坑道でつながっていることがわかる。検出器は、円柱ではなく十二面体構造をしている。
- The LZ Dark Matter Experiment：アメリカの研究チームLZの公式サイト
- The XENON experiment：イタリアの研究チームXENON1Tの公式サイト
