High-sensitivity observation of low-energy antiprotons for the study of solar modulation of cosmic-rays

• Project/Area Number: 20K14505
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構(機構本部施設等) (2021-2022); Japan Aerospace EXploration Agency (2020)
• Principal Investigator: Kozai Masayoshi 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構(機構本部施設等), データサイエンス共同利用基盤施設, 特任研究員 (60781739)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 銀河宇宙線 / 反陽子 / 反粒子 / 太陽変調 / 惑星間空間 / 宇宙天気 / リチウムドリフト型シリコン検出器 / 自励振動ヒートパイプ / 宇宙線 / 宇宙物理

Outline of Research at the Start

太陽の勢力圏「太陽圏」の研究は、社会インフラにも影響する最も身近な宇宙という点で重要である。地球で観測される宇宙線は太陽圏磁場の影響（太陽変調）を受けているため、太陽圏の貴重な観測プローブとなる。中でも宇宙線反陽子は近年の観測技術の進歩により急速に研究が進んでおり、注目されている。
GAPS (General Anti-Particle Spectrometer)は宇宙線反陽子を超高感度で観測する気球実験である。本研究は装置開発によりGAPS計画を推進し、観測を実現する。反陽子観測データの解析により、太陽変調を研究する。

Outline of Final Research Achievements

Properties of galactic cosmic rays are altered by the solar wind plasma ejected from the sun, which is called the solar modulation of cosmic rays. Cosmic-ray antiprotons are attracting attention as a key to solving the solar modulation problem. In this research, we developed a mass production method and cooling technology for a large silicon detector, which was a technical issue for high-sensitivity antiproton observation. In addition, we evaluated atmospheric effects on cosmic rays, aiming for an integrated study of cosmic rays by an antiproton observation at the top of the atmosphere and ground-based observations. From the above, we showed the path to the solar modulation research using antiprotons.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

オーロラをはじめとする地球磁気圏や超高層大気の変動は太陽風（太陽から常時噴出するプラズマ風）に支配されている。太陽風の電磁的構造の解明は宇宙時代の環境問題として喫緊の課題である。宇宙線の太陽変調は太陽－地球間距離に匹敵する大規模構造の情報が得られる数少ない研究対象である。特に反陽子は宇宙線中で唯一存在が確認されている反原子核成分であり、独自の知見を与えてくれると期待される。本研究は反陽子観測での技術的課題の解決方法を示し、その実現への道筋をつけた。また本研究の成果は、他分野での放射線計測や冷却実験などへの応用も期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Columbia University/MIT/University of California, Berkeley(米国)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/MIT(米国)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/MIT(米国)
• [Journal Article] Statistical investigation of the large-area Si(Li) detectors mass-produced for the GAPS experiment (2022)
  • Author(s): Kozai M.、Tokunaga K.、Fuke H.、Yamada M.、Hailey C.J.、Kato C.、Kraych D.、Law M.、Martinez E.、Munakata K.、Perez K.、Rogers F.、Saffold N.、Shimizu Y.、Tokuda K.、Xiao M.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1034 Pages: 166820-166820
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.166820
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Passivation of Si(Li) detectors operated above cryogenic temperatures for space-based applications (2021)
  • Author(s): Saffold N.、Rogers F.、Xiao M.、Bhatt R.、Erjavec T.、Fuke H.、Hailey C.J.、Kozai M.、Kraych D.、Martinez E.、Melo-Carrillo C.、Perez K.、Rodriguez C.、Shimizu Y.、Smallshaw B.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 997 Pages: 165015-165015
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.165015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of mass-production data of the GAPS Si(Li) detectors using data-mining methods (2021)
  • Author(s): M. Kozai, K. Tokunaga, H. Fuke, T. Erjavec, C.J. Hailey, C. Kato, N. Madden, K. Munakata, K. Perez, F. Rogers, N. Saffold, Y. Shimizu, M. Xiao
  • Journal Title: Proceedings of IEE NSS MIC 2021 Volume: -
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 南北異方性を用いた宇宙線モジュレーションの研究 (2023)
  • Author(s): 小財正義
  • Organizer: 2022年度ISEE研究集会「太陽地球環境と宇宙線モジュレーション」
• [Presentation] ミューオン計ネットワークを用いた銀河宇宙線の南北異方性の研究 (2022)
  • Author(s): 小財 正義, 宗像 一起, 加藤 千尋, 門倉 昭, 片岡 龍峰
  • Organizer: 第152回 地球電磁気・地球惑星圏学会 講演会
• [Presentation] 地上ミューオン計ネットワークを用いた宇宙線南北異方性の解析 (2022)
  • Author(s): 小財正義, 宗像一起, 加藤千尋, 門倉昭, 片岡龍峰
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Development of control and monitoring system for the GAPS heat pipe (2022)
  • Author(s): M. Kozai, M. Saijo, K. Tokunaga, S. Okazaki, H. Fuke, A. Kawachi, Y. Shimizu
  • Organizer: 44th COSPAR Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 銀河宇宙線の多地点観測による南北異方性の解析 (2022)
  • Author(s): 小財 正義, 宗像 一起, 加藤 千尋, 門倉 昭, 片岡 龍峰
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] 銀河宇宙線の多地点観測による南北異方性の解析 (2022)
  • Author(s): 小財正義、宗像一起、加藤千尋、門倉昭、片岡龍峰
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] DEVELOPMENT OF CONTROL AND MONITORING SYSTEM FOR THE GAPS HEAT PIPE (2022)
  • Author(s): M. Kozai, M. Saijo, K. Tokunaga, S. Okazaki, H. Fuke, A. Kawachi, Y. Shimizu
  • Organizer: COSPAR 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GAPS実験用ヒートパイプの運用システムの開発 (2022)
  • Author(s): 小財正義, 西城大, 徳永翔, 岡崎峻, 福家英之, 河内明子, 小林聖平, 水野広基, 清水雄輝, 鈴木俊介
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] 南極昭和基地の宇宙線計を用いた南北異方性の解析 (2022)
  • Author(s): 小財正義, 宗像一起, 加藤千尋, 門倉昭, 片岡龍峰, 村瀬清華, 三宅晶子, GMDN collaboration
  • Organizer: 2021年度ISEE研究集会 太陽地球環境と宇宙線モジュレーション
• [Presentation] Analysis of mass-production data of the GAPS Si(Li) detectors using data-mining methods (2021)
  • Author(s): M. Kozai, K. Tokunaga, H. Fuke, T. Erjavec, C.J. Hailey, C. Kato, N. Madden, K. Munakata, K. Perez, F. Rogers, N. Saffold, Y. Shimizu, M. Xiao
  • Organizer: IEEE NSS MIC 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地上観測および気球観測による銀河宇宙線研究 (2021)
  • Author(s): 小財正義
  • Organizer: 極域データの保全・公開と利活用に関する研究集会-II
• [Presentation] Mass production of large-area lithium-drifted silicon detectors for the GAPS silicon tracker (2021)
  • Author(s): M. Kozai, S. Tokunaga, H. Fuke, T. Erjavec, C.J. Hailey, C. Kato, N. Madden, K. Munakata, K. Perez, F. Rogers, N. Saffold, Y. Shimizu, M. Xiao
  • Organizer: TIPP2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The GAPS instrument to search for low-energy cosmic antinuclei as a dark matter signature (2021)
  • Author(s): M. Kozai for the GAPS collaboration
  • Organizer: 43rd COSPAR Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS 実験の進捗報告 (2021)
  • Author(s): 小財正義, 他33名
  • Organizer: 日本物理学会 第 76 回年次大会
• [Presentation] 宇宙線反粒子観測実験GAPSと太陽モジュレーション (2021)
  • Author(s): 小財正義 for the GAPS collaboration
  • Organizer: 令和２年度ISEE合同研究集会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用リチウムドリフト型シリコン検出器の開発(4) (2020)
  • Author(s): 小財正義，徳永翔，福家英之，T. Erjavec，C.J. Hailey，加藤千尋，N. Madden，宗像一起，K. Perez，F. Rogers，N. Saffold，清水雄輝，M. Xiao
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会