Development of a large effective area liquid argon telescope for direct validation of heavy element synthesis in the universe

• Project/Area Number: 22KJ0811
• Project/Area Number (Other): 22J11653 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高嶋 聡 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: コンプトンカメラ / 液体アルゴン / MeVガンマ線 / ダークマター / 液体アルゴン検出器 / MPPC / ASIC

Outline of Research at the Start

液体アルゴン検出器によるガンマ線イメージングが可能なコンプトンカメラ実証機を開発する。液体アルゴン検出器でガンマ線との相互作用を捉えるには、光電吸収やコンプトン散乱が起きた時に生成されるシンチレーション光や電離電子の量を測定する必要がある。本研究では可視光用MPPCとトランスインピーダンスアンプの一体型回路を開発してガンマ線イベントのトリガとしての役割を果たさせる。さらにすでに開発した256チャンネルのアノードピクセルプレートおよび低ノイズ読み出し可能な電離電子増幅回路を液体アルゴン検出器として組み合わせ、クライオスタット内で実際に運用試験を行う。

Outline of Annual Research Achievements

今年度は液体アルゴンを用いたタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）の開発に注力し、ガンマ線分光撮像の実現に向けた進展を遂げた。シンチレーション光を捉えるために、-187℃で動作する低ノイズのアンプ・センサ統合基板と4x4のSiPMを開発した。この基板は2.4x2.4cmの受光面を持ち、1チャンネルで読み出すことができ、1光電子を分解するノイズ性能を持つ。
加えて、256チャンネルのピクセル電極とSGD-ASICを搭載した基板をガスアルゴン中で運用し、検出器由来のノイズを評価した。アルファ線信号の飛跡を測定し、アルゴンの電離電子を高いS/N比で検出できる条件を特定した。
LArTPCの効果的な運用には、熱流入を防ぐ真空断熱容器が必要であり、水や酸素などの不純物がシンチレーション光や電離電子を吸収するのを防ぐシステムも重要である。3D CADソフトウェアを用いて設計した真空断熱容器には、これらの不純物を除去するフィルタを装備した。
また、アウトガスの少ない材料を使用してLArTPCを開発し、液体アルゴン中で前述の電離電子とシンチレーション光の読み出しシステムを取り付けた。外部に設置したコバルト60、セシウム137、ナトリウム22からのガンマ線を捉え、コンプトン散乱や光電吸収による電離電子群を測定した。
さらに、将来の観測衛星での宇宙ガンマ線観測に向け、検出器放射化や銀河系外のガンマ線などの幅広いバックグラウンドモデルを取り入れ、天体ガンマ線の感度計算を行った。モンテカルロシミュレーションに基づく検出器特性を反映した計算により、より現実的な観測計画を作成した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロンビア大学Nevis Laboratories/ノースイースタン大学(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] 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
• [Presentation] Development of a prototype liquid argon Compton camera (2023)
  • Author(s): S. Takashima, K. Ishiwata, H. Odaka, K. Shirahama, M. Tanaka, T. Hakamada, M. Yoshimoto, S. Arai, M. Ichihashi, T. Kato, A. Bamba, K. Aoyama, T. Shimizu, H. Taniguchi, R. Nakajima, K. Yorita, T. Tamba, S. Watanabe, K. Okuma, T. Nakazawa, H. Yoneda. GRAMS collaboration
  • Organizer: QBI2023 第５回「量子線イメージング研究会」
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAMS 実験15：液体アルゴンコンプトンカメラ実証機の開発状況 (2023)
  • Author(s): 高嶋 聡、石渡幸太、小高裕和、白濱健太郎、田中雅士、袴田知宏、善本真梨那、新井翔大、市橋正裕、加藤辰明、馬場彩、青山一天、清水虎冴、谷口 日奈子、中島 理幾、寄田浩平、丹波翼、渡辺伸、大熊佳吾、中澤知洋、米田浩基、GRAMSコラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] GRAMS 実験 11: 液体アルゴンコンプトンカメラ実 証機の開発状況 (2023)
  • Author(s): 高嶋聡, 新井翔大, 市橋正裕, 小高裕和, 馬場彩, 青山一天, 櫻井真由, 田中雅士, 中曽根太地, 寄田浩平, 米田浩基, 渡辺伸, GRAMS コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会春季年会 2023年春季年会
• [Presentation] A multi-task neural network model for event reconstruction of large effective area Compton cameras (2022)
  • Author(s): S. Takashima, H. Odaka, A. Bamba, H. Yoneda, Y. Ichinohe, T. Aramaki, Y. Inoue
  • Organizer: ADASS XXXII
  • Int'l Joint Research