液体ArTPCを用いた反粒子観測による暗黒物質探索とMeVガンマ線天文学の開拓

• Project/Area Number: 22H00133
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 寄田 浩平 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60530590)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2025: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2024: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000); Fiscal Year 2023: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000); Fiscal Year 2022: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
• Keywords: 暗黒物質 / 液体アルゴンTPC / 宇宙反粒子 / 反粒子識別 / MeVガンマ線 / 反粒子

Outline of Research at the Start

高感度の液体アルゴンTPC検出器を気球に搭載し、宇宙線中の反粒子(特に反重陽子)観測による宇宙暗黒物質探索を行うと同時に、MeVガンマ線天文学を開拓する。本研究は、素粒子の知見や実験技術を駆使し、宇宙・天文学的なアプローチで、これらの２つの学術的大問を同時に解決できる可能性の高いLArTPC検出器を開発構築し、段階的に評価観測を遂行し、さらに将来の気球・衛星実験へと展開する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、30㎝立法のプロトタイプ液体ArTPCを制作し、地上実験室での宇宙線の飛跡再構成を立証し、粒子識別能力の原理検証に成功した。アノード面は1㎝ピッチの30ch+30chの2Dストリップで、60chの読み出しにはS/Nのよい64ch-LTARS2014を搭載したアナログ基板にデジタル基板を連結させて行った。2022年10月には高純度・高電圧印可可能なLArTPCを運用し、宇宙線中のμ-とμ＋の識別を行った。電荷識別と反粒子識別は本質的に同義なことを利用し、μが停止したあとに崩壊して出てくるミッシェル電子の有無で崩壊と捕獲事象を精査した。その結果、崩壊と捕獲事象の比は停止点の振る舞いから定量的に説明できることがわかった。この成果を受け、実験の鍵を握る反粒子と液体Arの捕獲反応の検証をするべく、東海J-PARCでの加速器ビーム試験の提案書を2022年12月に提出し、専門家の審査会（2023年1月）にて正式に承認された。まずはK1.8BRラインでの反重陽子生成のためのフェーズ1実験を2023年6月に予定している。また、2022年11月には気球工学試験（＠北海道大樹町）のための提案書をJAXAに提出し、2023年度フライトとして採択された。これに加えて、南極での長期間気球フライトの実現のため、米国のコラボレータとともにNASAに実験提案書を提出した（2022年12月）。世界初の実験を完遂するため、素粒子の技術と宇宙観測の手法を融合させ、非常に独自性の高い提案を加速器と気球観測の双方にすることで世界に類のない展開を図っている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた30㎝立法のTPC制作と宇宙線実験に加えて、初年度に気球実験と加速器実験の2つの重要な提案が同時に承認されたことは大きな進展である。実験室での順調な開発進捗と当初の計画以上の進展により、今後の飛躍的な展開の基盤を作ることができたといえる。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は、J-PARCハドロンホールにおける反重陽子の生成率の検証（T98-PhaseI）とJAXA TARFにおける気球工学試験（B23-06）を同時に完遂する計画である。実施時期が重なる可能性があるため、安全も重視しながら準備を万全に行い、予算や人員についても、効率的な利用・配置を最適化して進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ノースイースタン大学/コロンビア大学/NASA(米国)
• [Journal Article] Reconstruction of multiple Compton scattering events in MeV gamma-ray Compton telescopes towards GRAMS: The physics-based probabilistic model (2023)
  • Author(s): Yoneda Hiroki、Odaka Hirokazu、Ichinohe Yuto、Takashima Satoshi、他
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 144 Pages: 102765-102765
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2022.102765
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a liquid argon detector with high light collection efficiency using tetraphenyl butadiene and a silicon photomultiplier array (2022)
  • Author(s): Aoyama Kazutaka、Tanaka Masashi、Kimura Masato、Yorita Kohei
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 4 Issue: 4
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac064
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] GRAMS-AM実験8 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): 田中雅士、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
• [Presentation] GRAMS-AM実験9 宇宙線μ+/μ-を用いた粒子反粒子識別試験におけるLArTPCの性能評価 (2023)
  • Author(s): 櫻井真由、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
• [Presentation] GRAMS-AM実験10 J-PARCハドロンホールK1.8BRにおけるLArTPCを用いた反粒子同定手法 検証のための開発状況 (2023)
  • Author(s): 中曽根太一、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
• [Presentation] GRAMS experiment 13: Preparation for first engineering balloon flight at JAXA TARF (2023)
  • Author(s): R.Nakajima,K.Yorita et.al.
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
• [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、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] GRAMS-AM実験5 30×30×30cm3 液体アルゴンTPCの製作と性能評価 (2022)
  • Author(s): 櫻井真由、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] GRAMS-AM実験6 反粒子同定手法検証のための宇宙線ミューオンを用いた地上実験の現状 (2022)
  • Author(s): 谷口日奈子、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] GRAMS-AM実験7 反粒子同定手法検証のための加速器ビームテスト計画と開発課題 (2022)
  • Author(s): 中曽根太一、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] LArTPC用ASIC LTARSのGRAMSプロトタイプ検出器への応用 (2022)
  • Author(s): 清水虎冴、寄田浩平他
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会