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大光量Ar検出器による低エネルギー液体Ar蛍光の理解と低質量暗黒物質探索

Research Project

Project/Area Number 20J20839
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

青山 一天 (2020-2021)  早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)

Research Fellow 青山 一天 (2022)  早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywords暗黒物質 / 液体アルゴン検出器 / TPC / 素粒子実験 / 暗黒物質探索
Outline of Research at the Start

暗黒物質は様々な天文学的観測から存在を示唆されているが、その直接検出には至っていない。本研究の目的は、液体アルゴン光検出器を用いて低質量暗黒物質を探索することである。液体アルゴン蛍光の波形弁別は背景事象と信号事象の識別において強力であり、検出光量が多いほど識別能力は向上する。そこで本研究では、検出器の光収集効率改善による探索感度の向上に主眼を置き研究を進める。

Outline of Annual Research Achievements

暗黒物質の検出は現代物理学における最重要課題の一つであり、世界中で多種多様な方法を用いて探索実験が行われている。本研究の目的は高感度な液体アルゴン検出器を構築し、暗黒物質探索の感度を向上させることである。液体アルゴンは荷電粒子の通過により、"電離電子"と"シンチレーション光"の2種類の信号が生成され、その検出によりエネルギーや位置の再構成を行う。加えて、それら2種類の信号を組み合わせることにより、液体アルゴン検出器は強力な粒子識別能力を持つ。この粒子識別能力は稀事象探索実験において非常に有用であり、本研究では暗黒物質探索に向けて液体アルゴン検出器の開発を進めた。
昨年までの研究で、宇宙線内の反重陽子の観測を気球搭載型液体アルゴン検出器を用いて行うことにより、先行実験の反重陽子観測の感度を2桁程度上回ることが分かった。反重陽子の観測により、背景事象と十分に分離した0バックグラウンド環境下での暗黒物質発見の可能性がある。加えて、同じデザインの検出器にて宇宙MeVガンマ線の検出も行うことができることも分かった。そのため、宇宙反重陽子と宇宙MeVガンマ線の同時観測に向けて液1相型の液体アルゴン検出器の準備を進めた。
これまで、液体アルゴン検出器は飛翔体に搭載されたことがない。本年度は、液体アルゴン検出器の気球搭載が可能であることを実証するために、気球工学試験を実施した。検出器は10x10x10 cmの小型のものを使用した。また、気球環境に対応するため、絶対圧弁や破裂弁の使用や、振動対策、遠隔コントロールシステムを準備した。その結果、世界初となる液体アルゴン検出器の気球上運用に成功した。その結果は日本物理学会にて報告している。また、学術論文の準備も進めている。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Measurement of emission spectrum for gaseous argon electroluminescence in visible light region from 300 to 600 nm2022

    • Author(s)
      Aoyama Kazutaka、Kimura Masato、Morohoshi Hiroyuki、Takeda Tomomasa、Tanaka Masashi、Yorita Kohei
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1025 Pages: 166107-166107

    • DOI

      10.1016/j.nima.2021.166107

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Liquid argon scintillation response to electronic recoils between 2.8?1275?keV in a high light yield single-phase detector2020

    • Author(s)
      Kimura M.、Aoyama K.、Tanaka M.、Yorita K.
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102 Issue: 9 Pages: 092008-092008

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.092008

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Measurements of argon-scintillation and -electroluminescence properties for low mass WIMP dark matter search2020

    • Author(s)
      Kimura M.、Aoyama K.、Takeda T.、Tanaka M.、Yorita K.
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 15 Issue: 08 Pages: C08012-C08012

    • DOI

      10.1088/1748-0221/15/08/c08012

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] GRAMS-AM実験11 大気球搭載液体アルゴンTPCを用いた宇宙反物質探索実験2023

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      日本物理学会 第78回年次大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 宇宙ガンマ線観測・暗黒物質探索実験GRAMSに向けた液体アルゴン放射 線検出器の気球搭載試験(2)2023

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (2023年度)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Status and prospect of the Gamma-Ray and Anti-Matter Survey (GRAMS)2023

    • Author(s)
      Kazutaka Aoyama
    • Organizer
      Kahiwa DM symposium
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GRAMS-AM実験4 大気球搭載液体アルゴンTPCを用いた宇宙反物質探索実験2022

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] GRAMS実験 プロトタイプLArTPCの宇宙線試験結果2022

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      MPGD & Active媒質TPC2022研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] GRAMS実験 7 : 液体アルゴンTPCにおける光子・電子信号のエネルギー分解能測定2021

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 暗黒物質起源の宇宙線反粒子観測に向けた液体アルゴンTPCの開発2021

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      第2回新学術「地下宇宙」若手研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 液体Ar光検出器の高感度化 ~TPB 蒸着技術の最適化と TSV-MPPC Array の実装~2021

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] TSV-MPPC Arrayによる液体Ar光検出器の性能向上2021

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] WIMP探索のためのTSV-MPPC大光量液体アルゴン検出器の構築2020

    • Author(s)
      青山一天
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」領域研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-12-25  

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