Elucidating the origin of heavy elements by a space-based gamma-ray detector using liquid argon

• Project/Area Number: 22K18277
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 小高 裕和 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (50610820)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 一戸 悠人 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 研究員 (30792519) ; 井上 芳幸 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70733989)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000); Fiscal Year 2027: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2026: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2025: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2024: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 液体アルゴン放射線検出器 / MeVガンマ線天文学 / コンプトンカメラ / MeVガンマ線 / 重元素合成 / コンプトン望遠鏡 / 連星中性子星合体

Outline of Research at the Start

周期表を彩る100種類に及ぶ多種多様な元素は、138億年の宇宙史においてどのように創られたのか？その全容を解明することは天文学のみならず現代科学の大きなテーマである。特に鉄より重く核融合が難しい超重元素の起源は未解明であり、その最有力サイトが重力波検出により脚光を浴びた連星中性子星の合体である。本研究の目的は、中性子星合体イベントからの微弱な核ガンマ線を捉えられる高感度ガンマ線望遠鏡を開発することである。そのために、液体アルゴンを検出器媒体に用いた新しい概念に基づくガンマ線コンプトン望遠鏡を、素粒子物理実験で実用化された技術を基盤として構築し、さらにそれを人工衛星に搭載する技術の開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、超新星や連星中性子星合体などの重元素合成の有力候補サイトからの微弱な核ガンマ線を捉えることができる高感度ガンマ線望遠鏡を開発することである。そのために、液体アルゴンを検出器媒体に用いた新しい概念に基づくガンマ線コンプトン望遠鏡を、素粒子物理実験で実用化された技術を基盤として構築し、さらにそれを人工衛星に搭載する技術の開発を目指している。

2023年度は、世界初の液体アルゴンを利用したコンプトン望遠鏡の実証機の開発を目指して、地上試験用の液体アルゴンクライオスタットを建設し、コンプトンカメラとして動作する液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーの開発を行った。コンプトンカメラにおけるガンマ線の検出情報は励起したアルゴンのシンチレーション光およびアルゴンから電離した電子の読み出しによって得られる。シンチレーション光検出器として用いるSiPM検出器の多チャンネル結合読み出しの回路と電離電子読み出しのための半導体検出器用読み出し集積回路を採用したアンプ基板の製作を行った。これらの組み合わせたコンプトンカメラ試作機を完成させ、液体アルゴン条件下での最初の動作確認試験において、シンチレーション光と電離電子信号を確認することに成功した。

また、液体アルゴン検出器の飛翔体搭載対応のため、JAXA国内気球実験「GRAMS液体アルゴン放射線検出器の気球搭載試験」を実施し、フライトと検出器の運用に成功した。これは気球搭載可能な小型で最小構成の液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーを製作し、実際に気球フライト中に放射線検出器として安定動作させるための技術の確立を目的としたものである。2023年7月27日に北海道の大樹航空宇宙実験場から放球し、太平洋上を約３時間飛行し、全機器を無事に回収した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究は世界初の液体アルゴンを用いた大面積ガンマ線検出器の実現という挑戦的なテーマに取り組んでいる。そのために必要な開発項目を整理し、現在はその第一歩となる次の3つの課題を進めてきた:(1) 小型かつ高性能のコンプトン望遠鏡実証機の設計、(2) 最小構成のアルゴン検出器気球搭載試験、(3) 全天 MeVガンマ線放射モデルに基づくサイエンス計画の立案。(1)について、概ね予定通り製作を完了し、最初の液体アルゴン条件下での動作試験に成功した。(2) についてはJAXA国内気球実験のフライトと検出器の安定運用に成功し、当初計画を超える成果が得られている。(3) についてもサイエンスの計画立案のためのシミュレーションモデルの構築を進めており、概ね順調だと言える。以上から、研究プロジェクト全体としては現時点で計画以上に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、2023年度に進めた世界初の液体アルゴンを利用したコンプトン望遠鏡の実証機の動作試験を進める。すでに実施した液体アルゴン条件下での動作試験のデータを吟味し、コンポーネントの改良や運用方法の改善を行う。2024年度に複数回の液体アルゴンを用いた実証実験を計画しており、段階的アップデートを経て、最終的にコンプトンイメージングの実証を目指す。また、サイエンス計画の構築のために、バックグラウンドを含めた全天シミュレーションを実施し、性能予測を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ノースイースタン大学/コロンビア大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ダラム大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ヴュルツブルク大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/ノースイースタン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ダラム大学(英国)
• [Journal Article] ALMA Confirmation of Millimeter Time Variability in the Gamma-Ray Detected Seyfert Galaxy GRS 1734-292 (2024)
  • Author(s): Michiyama Tomonari、Inoue Yoshiyuki、Doi Akihiro、Yamada Tomoya、Fukazawa Yasushi、Kubo Hidetoshi、Barnier Samuel
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 965 Issue: 1 Pages: 68-68
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad2fae
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Application of transition-edge sensors for micro-X-ray fluorescence measurements and micro-X-ray absorption near edge structure spectroscopy: a case study of uranium speciation in biotite obtained from a uranium mine (2024)
  • Author(s): Takumi, Ichinohe et al.
  • Journal Title: The Analyst Volume: N/A Issue: 10 Pages: 2932-2941
  • DOI: 10.1039/d4an00059e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gamma-ray emission in the Seyfert galaxy NGC4151: Investigating the role of jet and coronal activities (2023)
  • Author(s): Inoue Yoshiyuki、Khangulyan Dmitry
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 75 Issue: 6 Pages: L33-L39
  • DOI: 10.1093/pasj/psad072
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The centimeter-to-submillimeter broad-band radio spectrum of the central compact component in a nearby type-II Seyfert galaxy NGC?1068 (2023)
  • Author(s): Michiyama Tomonari、Inoue Yoshiyuki、Doi Akihiro
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 75 Issue: 5 Pages: 874-882
  • DOI: 10.1093/pasj/psad044
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cosmic Ray Processes in Galactic Ecosystems (2023)
  • Author(s): Owen Ellis R.、Wu Kinwah、Inoue Yoshiyuki、Yang H.-Y. Karen、Mitchell Alison M. W.
  • Journal Title: Galaxies Volume: 11 Issue: 4 Pages: 86-86
  • DOI: 10.3390/galaxies11040086
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On the Zeeman effect in magnetically arrested disks (2023)
  • Author(s): Inoue Yoshiyuki
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 75 Issue: 3 Pages: L7-L11
  • DOI: 10.1093/pasj/psad017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatiotemporal Characterization of Cassiopeia A (2023)
  • Author(s): Ichinohe Yuto、Sato Toshiki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 946 Issue: 2 Pages: 87-87
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acafe0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proof-of-Principle Experiment for Testing Strong-Field Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms: High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon (2023)
  • Author(s): T. Okumura, T. Azuma, D. A. Bennett, I. Chiu, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T. Hashimoto, R. Hayakawa, G. C. Hilton, Y. Ichinohe, P. Indelicato, T. Isobe, S. Kanda, M. Katsuragawa, N. Kawamura, Y. Kino, K. Mine, Y. Miyake, K. M. Morgan, K. Ninomiya et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 17 Pages: 173001-173001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.173001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The peak flux of GRB 221009A measured with GRBAlpha (2023)
  • Author(s): Ripa J.、Takahashi H.、Fukazawa Y.、Werner N.、Munz F.、Pal A.、et al.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: - Pages: L2-L2
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202346128
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GRBAlpha: The smallest astrophysical space observatory (2023)
  • Author(s): Pal, Ichinohe, Odaka, et al.
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 677 Pages: A40-A40
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202346182
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A different view of wind in X-ray binaries: the accretion disc corona source 2S 0921-630 (2023)
  • Author(s): Tomaru Ryota、Done Chris、Odaka Hirokazu、Tanimoto Atsushi
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 523 Issue: 3 Pages: 3441-3449
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1637
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Circumnuclear Multiphase Gas in the Circinus Galaxy. V. The Origin of the X-Ray Polarization in the Circinus Galaxy (2023)
  • Author(s): Tanimoto Atsushi、Wada Keiichi、Kudoh Yuki、Odaka Hirokazu、Uematsu Ryosuke、Ogawa Shoji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 958 Issue: 2 Pages: 150-150
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad06ac
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spectral Modeling of the Supersoft X-Ray Source CAL87 Based on Radiative Transfer Codes (2023)
  • Author(s): Tsujimoto Masahiro、Mizumoto Misaki、Ebisawa Ken、Odaka Hirokazu、Wada Qazuya
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 960 Issue: 1 Pages: 46-46
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad0bfa
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] X-ray polarization properties of thermal-radiative disc winds in binary systems (2023)
  • Author(s): Tomaru Ryota、Done Chris、Odaka Hirokazu
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 527 Issue: 3 Pages: 7047-7054
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3649
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Strong lensing of high-energy neutrinos (2023)
  • Author(s): Taak Yoon Chan、Treu Tommaso、Inoue Yoshiyuki、Kusenko Alexander
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 107 Issue: 2 Pages: 023011-023011
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.023011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] MeV Gamma-Ray Source Contribution to the Inner Galactic Diffuse Emission (2023)
  • Author(s): Tsuji Naomi、Inoue Yoshiyuki、Yoneda Hiroki、Mukherjee Reshmi、Odaka Hirokazu
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 943 Issue: 1 Pages: 48-48
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acab69
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] Orbital- and Spin-phase Variability in the X-Ray Emission from the Accreting Pulsar Centaurus X-3 (2023)
  • Author(s): Tamba Tsubasa、Odaka Hirokazu、Tanimoto Atsushi、Suzuki Hiromasa、Takashima Satoshi、Bamba Aya
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 944 Issue: 1 Pages: 9-9
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acadde
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Strong Polarization of a J=1/2 -> 1/2 Transition Arising from Unexpectedly Large Quantum Interference (2023)
  • Author(s): N Nakamura, N Numadate, S Oishi, XM Tong, X Gao, D Kato, H Odaka, T Takahashi,Y Tsuzuki, Y Uchida, H. Watanabe, S Watanabe, and H Yoneda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 11 Pages: 113001-113001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.113001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impacts of Jets and winds from primordial black holes (2022)
  • Author(s): Takhistov Volodymyr、Lu Philip、Murase Kohta、Inoue Yoshiyuki、Gelmini Graciela B
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters Volume: 517 Issue: 1 Pages: L1-L4
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slac097
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spatially resolved study of the SS?433/W?50 west region with Chandra: X-ray structure and spectral variation of non-thermal emission (2022)
  • Author(s): Kayama Kazuho、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Tsuru Takeshi Go、Sudoh Takahiro、Inoue Yoshiyuki、Khangulyan Dmitry、Tsuji Naomi、Yamamoto Hiroaki
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Issue: 5 Pages: 1143-1156
  • DOI: 10.1093/pasj/psac060
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Event reconstruction of Compton telescopes using a multi-task neural network (2022)
  • Author(s): Takashima Satoshi、Odaka Hirokazu、Yoneda Hiroki、Ichinohe Yuto、Bamba Aya、Aramaki Tsuguo、Inoue Yoshiyuki
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1038 Pages: 166897-166897
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.166897
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALMA Detection of Parsec-scale Blobs at the Head of a Kiloparsec-scale Jet in the Nearby Seyfert Galaxy NGC 1068 (2022)
  • Author(s): Michiyama, Tomonari; Inoue, Yoshiyuki; Doi, Akihiro; Khangulyan, Dmitry
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 936 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac8935
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-energy Emission Component, Population, and Contribution to the Extragalactic Gamma-Ray Background of Gamma-Ray-emitting Radio Galaxies (2022)
  • Author(s): Fukazawa Yasushi、Matake Hiroto、Kayanoki Taishu、Inoue Yoshiyuki、Finke Justin
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 931 Issue: 2 Pages: 138-138
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6acb
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suzaku and Chandra study of diffuse X-ray emission from the massive star-forming region RCW?38 (2022)
  • Author(s): Fukushima Aoto、Ezoe Yuichiro、Odaka Hirokazu
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 75 Issue: 1 Pages: 187-198
  • DOI: 10.1093/pasj/psac100
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On the Formation of Over-ionized Plasma in Evolved Supernova Remnants (2022)
  • Author(s): Katsuragawa Miho、Lee Shiu-Hang、Odaka Hirokazu、Bamba Aya、Matsumura Hideaki、Takahashi Tadayuki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 938 Issue: 1 Pages: 23-23
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8cf9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAMS実験 16: ステータス報告 (2024)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] MeVガンマ線天文学の展望 (2024)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理連絡会研究会
  • Invited
• [Presentation] The GRAMS mission for MeV gamma-ray astronomy and dark matter search (2024)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAMS実験 14: ステータス報告 (2023)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] GRAMS: MeV ガンマ線観測・ダークマター探索気球実験 (2023)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: 宇宙科学技術連合会
• [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(1): 全体報告 (2023)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: JAXA大気球シンポジウム
• [Presentation] X-ray Imaging Polarimetry using a Fine Pixel CMOS Imager (2022)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: NDIP20 (Conference on New Development in Photodetection)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unveiling accretion disc winds from supermassive black holes with Monte Carlo X-ray radiative transfer modeling (2022)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: What Drives the Growth of Black Holes?
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X-ray Polarimetry for Astrophysics with CMOS imaging sensors (2022)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: Pixel22 (10th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAMS実験 9: ステータス報告 (2022)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季年会
• [Presentation] A new concept of a large-area MeV gamma-ray Compton telescope using liquid argon \& the GRAMS project (2022)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: Ukakuren-RNCP Conference on Astronuclear Physics (ANP2022)
• [Presentation] FF-LAGRAN: Formation Flying が 実現する高分解能・高感度の宇宙 MeV ガンマ線観測 (2022)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: 第 66 回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] MeV ガンマ線の高感度観測への挑戦とその展望 (2022)
  • Author(s): 小高裕和
  • Organizer: 2040 年代のスペース天文学研究会