暗黒物質方向探索のためのMRI撮像法を用いた三次元ナノスケール飛跡検出技術の開発
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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 筑波大学, 数理物質系, 特別研究員(PD) (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 2022)
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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線型コイルを設計、作製した。当初調達予定であった勾配磁場パルス電源の納期の予想外の大幅な長期化と調達価格の高騰により導入ができなかったため、プロトタイプとして最大3 Aの勾配磁場パルス電源を設計・製作し、特性を評価した。
2) ダイヤモンド NV センターを用いた飛跡検出に関して、量子科学技術研究開発機構高崎量子応用研究所にてAVFサイクロンのビームタイムを取得し、上期はE = 454 MeV のキセノンを、下期はE = 220 MeV の炭素をダイヤモンドに照射する試験をイオンビーム(TIARA)にて実施した。ダイヤモンド試料としてHPHTダイヤモンド（窒素濃度200 ppm以下、および10-20 ppm）とCVDダイヤモンド（窒素濃度1 ppm以下）を用意し、それぞれの核種で入射角方向３種類に対して行った。入射角を変えることで厚み方向の到達点を変え、飛跡の見え方の違いが評価できるようにした。これらの試料について、筑波大学で開発中の共焦点顕微鏡を用いて評価を行った。
3) 暗黒物質探索で、ダイヤモンドに入射した粒子情報を発光から推定するための、ダイヤモンドシンチレータの開発を行った。HPHTダイヤモンドに関して、窒素不純物量と発光量の関係性を明らかにした。発光波形を用いた電子とα線の識別に関する評価を進めた。
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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、共焦点光学顕微MRIシステムの開発を開始したが、ピエゾステージを自動走査し、ダイヤモンド中に生成された窒素-空孔(NV)センターの発光像の取得がされた。マイクロ波パルス照射系を製作し、ダイヤモンド中NVセンターの光学検出磁気共鳴スペクトルの取得に成功した。MRI勾配コイルと勾配磁場パルス電源を製作し、特性を評価した。イオンビームを照射したダイヤモンド試料の発光像の解析から、窒素濃度1 ppm以下のCVDダイヤモンド飛跡観察に適しているとの予備的な結果を得た。ダイヤモンドシンチレータの開発に関して、HPHTダイヤモンド中窒素不純物量と発光量の関係性を明らかにした等の成果が得られ、論文投稿を準備中である。これらの成果により招待公演を含む４件の国内外の学会発表を行った。以上により、概ね順調に進展していると評価される。
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| Strategy for Future Research Activity |
イオンビームを照射したダイヤモンド試料の発光像の解析から、窒素濃度1 ppm以下のCVDダイヤモンド飛跡観察に適しているとの予備的な結果を得た。さらに、窒素濃度の低いHPHTダイヤモンドについても評価を進め、飛跡検出の実証を目指す。共焦点光学顕微MRIシステムの開発を引き続き推進する。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
