| Project/Area Number |
22K18710
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
野村 晋太郎 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90271527)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
梅本 篤宏 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 量子場計測システム国際拠点, 研究員 (30939070)
佐々木 進 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (80323955)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | 暗黒物質 / WIMP / 量子計測 / ダイヤモンドNVセンタ / 方向探索 / MRI撮像法 / 量子センシング / ダイヤモンド |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は素粒子・宇宙観測分野の現在の大きな課題である暗黒物質検出に素粒子実験、物性実験、量子センシングの専門家が分野横断的に取り組む前例のない挑戦的な課題である。暗黒物質検出に量子センシングの手法を導入し、暗黒物質がダイヤモンド中を通過する際に残すとされる飛跡を、ダイヤモンドNVセンターからの発光を検出して回折限界を超えた高解像度で画像化する。このことにより、暗黒物質探索研究に大きな変革を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
１) ダイヤモンド結晶中に暗黒物質の有力候補である Weakly Interacting Massive Particle (WIMP)による格子欠陥の並びから飛跡を検出するための共焦点光学顕微MRIシステムの開発を継続して行った。勾配磁場発生のためのマクスウェル・コイル・ペア、平行4線型コイルに加えてプリント基板上の小型のものを設計・作製した。プロトタイプとして制作した勾配磁場パルス電源、および100 kHzまでの帯域幅のアンプを用いて、それらの特性を評価した。
2) ダイヤモンドを用いた暗黒物質方向探索では、ダイヤモンドをシンチレータとして機能させることで入射粒子の位置やエネルギー取得が可能となる。その際の発光中心にはHPHTダイヤモンド中の窒素不純物による発光バンドが有力であり、飛跡検出能力とシンチレータ性能を最大限発揮するためには不純物量の最適化が課題であった。今年度はNIMS高圧グループとの共同研究を開始し、不純物量を調整したHPHTダイヤモンドの合成を進めた。種結晶を選定し、温度などの合成条件を変えて試験を繰り返すことで、異なる不純物量で基板サイズ2x2mm以上を満たす結晶合成条件を見出した。2024年度に予定しているビーム実験ではこの結晶を使用して飛跡検出能力を評価予定である。シンチレータ検出器としての性能は、東北大学金属材料研究所アルファ放射体実験室で非密封のα線源を用いた測定で発光量の推定を行った。窒素不純物量の異なるHPHTダイヤモンドに対しても評価中で、この結果をまとめた投稿論文を準備中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度、引き続き共焦点光学顕微MRIシステムの開発を進めている。この装置は、CVDダイヤモンドチップに加え、HPHTダイヤモンド についても発光像の評価が進められた。ダイヤモンドシンチレータの開発に関して、CVDダイヤモンドとHPHTダイヤモンド中窒素不純物量と発光量の関係性を発光の減衰時間を含めて明らかにした等の成果についての論文が掲載された。加えて、本研究課題に関連した成果について、国際会議での発表１件、国内学会等での発表３件を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度には、前年度に引き続き、重粒子線を照射した際に形成される欠陥を用いたダイヤモンドNVセンターによる蛍光飛跡検出手法の原理実証を行う。並行して、新たに形成されたNVセンターの並びを飛跡方向として読み出すためのMRIナノスケールイメージング技術開発を進める。実際のWIMP探索で標的とする炭素の照射を予定し、入射エネルギーごとに欠陥とNVセンターの形成効率を定量化し、ダイヤモンドNVセンターを用いた飛跡検出手法による暗黒物質検出効率、実験感度の評価を行う。WIMP検出に関することと、ダイヤモンドに放射線を照射して格子欠陥を形成する実験を研究分担者の梅本が担当する。MRIの手法を用いた画像化を研究分担者の佐々木が担当する。ダイヤモンドNVセンター発光を用いた量子センシング測定システムの構築と研究全般の統括を研究代表者の野村が担当する。暗黒物質探索に向けたダイヤモンドNVセンターを用いたナノスケールの飛跡検出手法について、得られた結果を取りまとめ、成果の発表を行う。
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