Development of sub-micron track search method for dark matter recoil nuclei with luminescence of nano-semiconductors in nuclear emulsion
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21K13949
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
白石 卓也 東邦大学, 理学部, 訪問研究員 (00866121)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 暗黒物質 / 原子核乾板 / ナノ粒子発光 / イオン励起発光 / ナノ半導体 / 発光 |
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| Outline of Research at the Start |
暗黒物質候補WIMPに対し、その到来方向が決定可能な超微粒子原子核乾板(NIT)を用いて、WIMP探索限界とされるニュートリノフロアを超えた探索を行うことが大目的である。NITは100nmの飛跡を記録できる世界最高の空間分解能をもつ固体検出器であり、反跳エネルギーの小さな原子核の方向決定が可能であるが、その飛跡探索は光学顕微鏡飛跡読取装置の解析速度制限や、光学像のぼやけによる識別能の低下を受け、原理的な検出器性能限界を引き出せていない。そこで、NITの荷電粒子応答の一つである発光を飛跡探索において用い、サブミクロンの分解能を保持したまま大質量かつ低Background解析の手法開発を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超微粒子原子核乾板NITは、暗黒物質候補WIMPによって期待される飛程約100nmの反跳原子核の方向を検出するために開発された超高分解能飛跡検出器である。NIT中の半導体AgBr:Iナノセンサーには飛跡が記録されるが、それと同時にAgBr:Iセンサー内では高効率な発光が起こる。本研究課題ではこの発光現象に着目し、反跳原子核の飛跡を発光からトリガーすることで、光学顕微鏡でのナノスケール飛跡探索の解析速度限界を超えた探索方法の確立を目指している。
2022年度は、引き続き反跳原子核の疑似信号として低速イオンに対する発光の基礎研究を行うために、神奈川大学のイオン注入装置を用いた測定系の開発を行った。2021年度に導入した独自設計した発光分析用チャンバーを用い、光電子増倍管と分光器による単光子レベルでの発光スペクトル測定、照射位置を変えるための2軸駆動系付きイオンマスク、イオンドーズ量モニターなどの開発を行った。高真空中における液体窒素でのサンプル冷却に課題があったが、サンプルマウント部分の治具を再設計し問題なく冷却することに成功した。今後、イオンと背景事象として考えられるβ線の発光特性の違いを精密に調べ、波形や発光スペクトルからの粒子弁別について評価していく予定である。
また並行して、NIT中のゼラチンに含まれるC14由来のβ線自体を低減させるために、代替の高分子ポリマーとしてポリビニルアルコール（PVA）のみを用いたNITの開発も行っている。これによって、C14を従来の24 Bq/kgから測定限界以下の10 mBq/kg以下まで低減させることに成功した。重粒子線を用いて飛跡としての検出能力を持つことは確認できたが、一方で、感度が低い、ノイズの増加などの問題があり、実用化のためには脱塩水洗の方法に課題が残っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2022度は低温でのイオン照射を進めるために、神奈川大学平塚キャンパスのイオン注入装置に新規導入した発光分析用チャンバーを用い、頻繁に往来することで本研究課題を遂行するための基礎となる技術開発を進めた。
イオン照射の際は真空のため、サンプルの冷却は照射ステージとのメカニカルな接触が必須であるが、ビームを遮らないような固定方法、冷却の際にサンプルが歪で浮くことで熱接触が悪くなる、などの課題があった。最終的に、サンプルマウント部分の治具を再設計し、問題なく液体窒素温度まで冷却することに成功した。
また2022年度末は、神奈川大学の当研究室が平塚キャンパスから横浜キャンパスへ引越しとなり、イオン注入装置を含めた大規模な装置移設が重なったため、１～３月は発光測定の研究が進められない状況であった。代わりに、この時期は PVAのみを用いたNITの開発を先行して進め、最大のβ線源として考えられるC14を検出限界まで抑えた乳剤の製造を行った。
2023年度からは装置移設が完了し、さらに研究代表者自身も神奈川大学の当研究室所属に変更となったため、低速イオン照射時の発光分析をよりスムーズに進めるのに適した環境が整っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の最優先として、まずはこれまで確立してきた測定技術を用いて、エネルギー損失メカニズムの違いに起因した AgBr:Iナノセンサーの発光特性の解明を行う。低速イオンと背景事象として考えられるβ線の低温での発光特性の違いを調べ、波形や発光スペクトルからの粒子弁別について評価する。また、MPPCをチャンバー内に導入し、光電子増倍管とのコインシデンスをとることで超低ノイズでの発光スペクトル測定を実現し、さらに発光特性を精密に調べていく予定である。この際、MPPCの熱ノイズを抑制するために、液体窒素温度付近までの冷却をどのように行うか検討する必要がある。
次に、MPPCアレイ、およびプリアンプ・電源回路の設計、波形解析のためのADCボードの導入を行い、発光からの原子核反跳点特定のための技術開発を進める。上記で得た反跳原子核事の発光特性を元に、バンドパスフィルターによる発光波長選択や波形解析を駆使し、より効率的なβ線弁別ができるような設計を目指す。また、β線源となっているC14を多く含むゼラチンの代替として、PVAのみを用いた低バックグラウンドNITデバイスの実用化も目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
