ニュートリノ未解決問題を解く超高性能キセノンガス検出器開発

• Project/Area Number: 17J00268
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 中村 輝石 神戸大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ニュートリノ / 放射線検出器 / キセノン / 暗黒物質

Outline of Annual Research Achievements

ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）や暗黒物質を探索するための、高圧キセノンガスを用いた大型のタイムプロジェクションチェンバー検出器AXELを開発している。電離電子の検出には、我々が独自に考案・開発したElectroluminescence Collection Cell（ELCC）を用いる。ELCCの原理検証は10Lの容積を持つ検出器により実証済みであり、現在は2.5MeVでの性能評価や大型化の技術獲得のため、180Lの容積を持つ圧力容器を用いた開発を進めている。
当該年度はスクロール真空ポンプ、循環ポンプ、昇圧ポンプが相次いで故障したが、スクロール真空ポンプについては交換、循環ポンプと昇圧ポンプについてはより高性能なポンプの選定と交換作業と配管の工事を行い、高圧のキセノンガスを漏らさずに検出器に導入・循環・取り出しができるガスシステムを構築した。また、エネルギー分解能がガス中の不純物により悪化することを実機で確認し、純度のコントロールのためにRGAによるガス分析も開始した。180L試作機は、最初の段階として168チャンネルでの試験を行った。ELCCの構造の見直しにより、放電抑制や制作作業性の向上を達成した。また、読み出し回路のファームウェアに開発当初から残る致命的なバグを発見し、これを修正することで、全チャンネルのMPPCの波形が正しく取得でき、PMTとも連動してデータ取得ができることを確認した。大型試作機は最初の段階として168チャンネルで試験を行ってきた。22Naからの511keVのγ線の観測に実験グループ史上初めて成功し、分解能の評価ののちに、査読付き投稿論文として出版された。
また、本研究で開発中の高圧キセノンガス検出器を用いた新たな応用として、暗黒物質探索の感度を飛躍的に向上させる解析が可能なミグダル事象の観測可能性についても調査を開始した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Design and performance of a high-pressure xenon gas TPC as a prototype for a large-scale neutrinoless double-beta decay search (2020)
  • Author(s): Ban S、Hirose M、Ichikawa A K、Iwashita Y、Kikawa T、Minamino A、Miuchi K、Nakadaira T、Nakajima Y、Nakamura K D、Nakamura K Z、Nakaya T、Obara S、Sakashita K、Sekiya H、Sugashima B、Tanaka S、Ueshima K、Yoshida M
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2020 Issue: 3
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa030
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Angular dependence of columnar recombination in high pressure xenon gas using time profiles of scintillation emission (2018)
  • Author(s): K.D. Nakamura, S. Ban, M. Hirose, A.K. Ichikawa, Y. Ishiyama, A. Minamino, K. Miuchi, T. Nakaya, H. Sekiya, S. Tanaka and K. Ueshima
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 13 Issue: 07 Pages: P07015-P07015
  • DOI: 10.1088/1748-0221/13/07/p07015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electroluminescence collection cell as a readout for a high energy resolution Xenon gas TPC (2017)
  • Author(s): Ban S.、Nakamura K.D.、Hirose M.、Ichikawa A.K.、Minamino A.、Miuchi K.、Nakaya T.、Sekiya H.、Tanaka S.、Ueshima K.、Yanagita S.、Ishiyama Y.、Akiyama S.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 875 Pages: 185-192
  • DOI: 10.1016/j.nima.2017.09.015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ガス検出器を用いたミグダル事象の観測可能性について (2020)
  • Author(s): 中村輝石、身内賢太朗、伊部昌宏、風間慎吾
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 高圧キセノンガス検出器による原子核反跳の測定 (2019)
  • Author(s): 中村 輝石、市川温子、中家剛、 小原脩平、 潘晟、吉田将、中村和広、菅島文悟
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] Columnar Recombination Study in High Pressure Xenon Gas for Direction-sensitive Dark Matter Search (2019)
  • Author(s): Kiseki Nakamura for the AXEL collaboration
  • Organizer: CYGNUS2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ニュートリノはマヨラナか？ キセノンガス検出器による観測に向けて (2019)
  • Author(s): 中村輝石
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] Angular dependence of columnar recombination in high pressure xenon gas using time profile of scintillation emission (2018)
  • Author(s): Kiseki Nakamura for the AXEL collaboration
  • Organizer: XeSAT2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Columnar recombination study in high pressure xenon gas for direction-sensitive dark matter search (2018)
  • Author(s): Kiseki Nakamura
  • Organizer: DBD18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] AXEL実験：10L小型試作機のシミュ レーションとの比較による性能評価 (2018)
  • Author(s): 中村輝石
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] DarkAXEL (2018)
  • Author(s): 中村輝石
  • Organizer: 第3回 宇宙素粒子若手の会 秋の研究会
• [Presentation] 方向感度を持つ宇宙暗黒物質探索に向けた柱状再結合の研究 (2018)
  • Author(s): 中村輝石
  • Organizer: 「極低放射能技術」研究会
• [Presentation] 方向に感度を持つ暗黒物質探索に向けた柱状再結合の光と電荷の相関 (2018)
  • Author(s): 中村輝石、市川温子、中家剛、南野彰宏、潘晟、田中駿祐、中村和広、吉田将、廣瀬昌憲、関谷洋之、中島康博、上島考太、身内賢太朗
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] High pressure xenon gas detector with segmented electroluminescence readout for 0nbb search (2017)
  • Author(s): Kiseki Nakamura, Sei Ban, Masanori Hirose, Atsuko K. Ichikawa, Yuki Ishiyama, Akihiro Minamino, Kentaro Miuchi, Yasuhiro Nakajima, Kazuhiro Nakamura, Tsuyoshi Nakaya, Hroyuki Sekiya, Shunsuke Tanaka, Kota Ueshima, Masashi Yoshida
  • Organizer: The International Conference on Science, Application, and Technology of Xenon Radiation Detectors (XeSAT2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 方向感度を持つ高圧キセノンガス検出器開発 (2017)
  • Author(s): 中村輝石
  • Organizer: 「宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究」2017年領域研究会
• [Presentation] AXEL 高圧キセノンガスを用いた0nbb探索 (2017)
  • Author(s): 中村輝石
  • Organizer: 2017年度CRC将来計画タウンミーティング
• [Presentation] 方向感度を持つ暗黒物質探索に向けた高圧キセノンガス中での柱状再結合の研究 (2017)
  • Author(s): 中村 輝石, 市川 温子, 中家 剛, 南野 彰宏, 潘 晟, 石山 優貴, 田中 駿祐, 中村 和広, 吉田 将, 広瀬 昌憲, 関谷 洋之, 中島 康博, 上島 考太, 身内 賢太朗
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] DarkAXEL 高圧キセノンガスを用いた方向に感度のある暗黒物質探索 (2017)
  • Author(s): 中村輝石
  • Organizer: 2017年度第2回CRC将来計画タウンミーティング
• [Remarks]
  • URL: https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/research/Neutrino/AXEL/index.html