International Antarctic balloon-borne experiment GAPS to open the next era of cosmic-ray observation and dark-matter search

• Project/Area Number: 22KK0042
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 福家 英之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (10392820)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡崎 峻 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (00747751) ; 清水 雄輝 神奈川大学, 工学部, 教授 (60434320)
• Project Period (FY): 2022-10-07 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000); Fiscal Year 2025: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
• Keywords: 宇宙線 / 暗黒物質 / 反粒子 / 反物質 / エキゾチック原子 / 測定器開発 / 気球実験 / 先端機能デバイス / 宇宙線、宇宙物理 / 反粒子、反物質 / 放射線、X線、粒子線

Outline of Research at the Start

本研究は、宇宙線中の稀少成分である反粒子の観測分野を開拓することで、宇宙物理学・素粒子物理学的に重要な初期宇宙の謎に迫る。特に、未発見の反粒子である反重陽子の世界最高感度探索によって、現代物理学における喫緊の重要課題である暗黒物質の解明に直結する重要な手掛かりを得ることを主目的とする。エキゾチック原子を利用した独創的な反粒子識別方法を採用し大面積立体角の測定器と南極周回長時間気球観測によって高感度探索を実現し、暗黒物質に対する多角的な研究において他実験とは相補的かつユニークな貢献を図る。国際共同実験計画にて中核的な役割を果たすとともに、次代を担う若手の育成にも努める。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、宇宙線中に微量に含まれる反粒子（とりわけ未発見の反重陽子）の高感度探索を通じてダークマター等の初期宇宙物理の課題に迫ることを最終目的とする。ダークマターの解明は現代の宇宙物理学・素粒子物理学における喫緊の重要課題の一つである。ダークマターの解明には多角的な研究が求められている。本研究では、宇宙線反重陽子という新しい手掛かりを開拓することで、他実験とは異なる視点からダークマターの正体に迫り重要な知見を提供することができる。
その学術目的に迫るため、反粒子宇宙線観測計画GAPS（General Anti-Particle Spectrometer）を推進している。GAPSの測定器は、主にシリコン検出器トラッカとプラスティックシンチレーションカウンタ群で構成され、エキゾチック原子の崩壊過程を利用した新しい粒子識別手法を導入する。この新手法により、測定器の大型化を実現する。NASA南極周回気球によって約1ヶ月間の長時間観測を高空にて複数回実施し、稀少な反粒子を探索する。
GAPSは従来に無い新しいコンセプトに基づく測定器であることから、気球による観測本番の実施に先立ち、地上（実験室内）や環境試験設備（真空チャンバなど）での動作確認が欠かせない。
2023年度は、米国カリフォルニア大学バークレー校にてGAPS測定器フライトモデル（実機）の総合組立を実施した後、米国NTS社の大型チャンバを利用した真空環境試験を実施し、測定器システムの耐性を確認した。その後、米国内の拠点をコロンビア大学ニービス研究所に移し、GAPS測定器の総合試験を重ねた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究で計画するGAPS測定器による宇宙線観測は、それに先立ち米国の研究協力者と共同で米国NASAにて噛合せリハーサル試験を実施する必要があり、2023年度中に予定していた。しかし、当初の想定に反して米国機関のスケジュール変更が生じることが判明したことから、噛合せリハーサル試験の実施を2024年度に繰り越した。
ただし、それに伴い、米国での総合試験には十分な時間を充てることができるようになったことから、GAPSの測定器開発および科学観測実現という本研究計画の最終目標には影響していないと考える。

Strategy for Future Research Activity

GAPS測定器フライトモデル（実機）の総合試験を米国コロンビア大学ニービス研究所にて重ねた後、米国テキサス州のNASA/CSBF本部にてNASA気球バス機器との噛合せリハーサル試験を実施する。その後、測定器システム一式を南極マクマードに輸送し、南極にて最終準備を行ったうえで、気象条件が適合する機会を狙って南極周回気球フライトによる反粒子宇宙線を観測し、科学データを取得する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/カリフォルニア大学バークレー校/カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
• [Int'l Joint Research] 国立核物理学研究所(イタリア)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/カリフォルニア大学バークレー校/カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
• [Int'l Joint Research] 国立核物理学研究所(イタリア)
• [Journal Article] Thermal Control System to Easily Cool the GAPS Balloon-borne Instrument on the Ground (2023)
  • Author(s): Hideyuki FUKE, Shun OKAZAKI, Akiko KAWACHI, Shohei KOBAYASHI, Masayoshi KOZAI, Hiroyuki OGAWA, Masaru SAIJO, Shuto TAKEUCHI, and Kakeru TOKUNAGA
  • Journal Title: Journal of Evolving Space Activities Volume: 1 Issue: 0 Pages: n/a
  • DOI: 10.57350/jesa.2
  • ISSN: 2758-1802
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New Particle Identification Approach with Convolutional Neural Networks in GAPS (2023)
  • Author(s): Masahiro YAMATANI, Yusuke NAKAGAMI, Hideyuki FUKE, Akiko KAWACHI, Masayoshi KOZAI, Yuki SHIMIZU, Tetsuya YOSHIDA
  • Journal Title: Journal of Evolving Space Activities Volume: 1 Issue: 0 Pages: n/a
  • DOI: 10.57350/jesa.9
  • ISSN: 2758-1802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design and application of multi-loop capillary heat pipes to cool GAPS silicon detectors (2023)
  • Author(s): Fuke Hideyuki、Okazaki Shun、Kawachi Akiko、Kondo Manami、Ogawa Hiroyuki、Yamada Noboru
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1049 Pages: 168102-168102
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sensitivity of the GAPS experiment to low-energy cosmic-ray antiprotons (2023)
  • Author(s): F. Rogers, T. Aramaki, M. Yamatani, 他 (53人中47番目)
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 145 Pages: 102791-102791
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2022.102791
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 南極長時間飛翔気球を用いた暗黒物質探索実験GAPSの初フライトに向けた現状報告 (2024)
  • Author(s): 水越彗太, 福家英之, 小川博之, 岡崎峻, 高橋俊, 山谷昌大, 吉田哲也, 清水雄輝, 入江優花, 永井大洋, 鈴木俊介, 佐々木文哉, 和田拓也, 吉田篤正, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 平井克樹, 河内明子, 川本裕樹, 木間快, 奈良祥太朗, 清水望, 他
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Operation Concept of the GAPS Thermal Control System (2023)
  • Author(s): Hideyuki FUKE, Shun OKAZAKI, Akiko KAWACHI, Manami KONDO, Masayoshi KOZAI, Hiroyuki OGAWA, Masaru SAIJO, Kakeru TOKUNAGA
  • Organizer: 34th ISTS (International Symposium on Space Technology and Science)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Balloon Flight Test of a Low-Temperature Radiator (2023)
  • Author(s): Shun OKAZAKI, Hideyuki FUKE, Masayoshi KOZAI, Tetsuya YOSHIDA, Bill CRAIG, Jerry OLSON, Evan MARTINEZ, Nate SAFFOLD
  • Organizer: 34th ISTS (International Symposium on Space Technology and Science)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The GAPS experiment - a search for light cosmic ray antinuclei (2023)
  • Author(s): A.Stoessl, for the GAPS collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, G.Bridges, D.Campana, W.W.Craig, P.v.Doetinchem, E.Everson, L.Fabris, S.N.Feldman, H.Fuke, F.Gahbauer, C.Gerrity, L.Ghislotti, C.J.Hailey, T.Hayashi, A.Kawachi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: 38th Intl. Cosmic Ray Conf. (ICRC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integration and Calibration of the GAPS Antarctic Balloon Payload (2023)
  • Author(s): R.Munini, F.Rogers, for the GAPS collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, G.Bridges, D.Campana, W.W.Craig, P.v.Doetinchem, E.Everson, L.Fabris, S.N.Feldman, H.Fuke, F.Gahbauer, C.Gerrity, L.Ghislotti, C.J.Hailey, T.Hayashi, A.Kawachi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: 38th Intl. Cosmic Ray Conf. (ICRC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The identification of the cosmic-ray light nuclei with the GAPS experiment (2023)
  • Author(s): R.Munini, A.Lenni, for the GAPS collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, G.Bridges, D.Campana, W.W.Craig, P.v.Doetinchem, E.Everson, L.Fabris, S.N.Feldman, H.Fuke, F.Gahbauer, C.Gerrity, L.Ghislotti, C.J.Hailey, T.Hayashi, A.Kawachi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: 38th Intl. Cosmic Ray Conf. (ICRC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The GAPS Time-of-Flight Detector (2023)
  • Author(s): S.N.Feldman, T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, G.Bridges, D.Campana, W.W.Craig, P.v.Doetinchem, E.Everson, L.Fabris, H.Fuke, F.Gahbauer, C.Gerrity, L.Ghislotti, C.J.Hailey, T.Hayashi, A.Kawachi, M.Kozai, et al.
  • Organizer: 38th Intl. Cosmic Ray Conf. (ICRC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 南極長時間飛翔気球を用いた暗黒物質探索実験GAPS (2023)
  • Author(s): 水越彗太, for the GAPS Collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, G.Bridges, D.Campana, W.W.Craig, P.v.Doetinchem, E.Everson, L.Fabris, S.N.Feldman, H.Fuke, F.Gahbauer, C.Gerrity, L.Ghislotti, C.J.Hailey, T.Hayashi, A.Kawachi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 宇宙線反粒子測定器GAPSの南極初回フライトに向けた総合試験の状況報告 (2023)
  • Author(s): 清水雄輝, 入江優花, 永井大洋, 鈴木俊介, 佐々木文哉, 和田拓也, 吉田篤正, 福家英之, 水越彗太, 小川博之, 岡崎峻, 高橋俊, 山谷昌大, 吉田哲也, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 平井克樹, 河内明子, 川本裕樹, 木間快, 奈良祥太朗, 清水望, 他
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (2023年度)
• [Presentation] Level set法に基づく気液二相流解析を用いた気泡成長の数値解析 (2023)
  • Author(s): 平井克樹, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 高橋俊, 河内明子, 岡崎峻, 福家英之
  • Organizer: 第37回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索実験GAPSにおける熱制御システムの開発 (2023)
  • Author(s): 鈴木俊介, 清水雄輝, 入江優花, 橋本航征, 福家英之, 岡崎峻, 水越彗太, 小財正義, 河内明子, 新垣翔太
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第23回)
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の現状報告 (2023)
  • Author(s): 福家英之, 水越彗太, 小川博之, 岡崎峻, 白鳥弘英, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 橋本航征, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 新垣翔太, 平井克樹, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 高橋俊, C.J.Hailey, M.Boezio, for the GAPS Collaboration
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第23回)
• [Presentation] 南極周回気球による宇宙線反粒子探索実験GAPSの現状報告 (2022)
  • Author(s): 清水雄輝, 入江優花, 橋本航征, 鈴木俊介, 和田拓也, 吉田篤正, 福家英之, 水越彗太, 小川博之, 岡崎峻, 白鳥弘英, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 新垣翔太, 平井克樹, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 高橋俊, C.J.Hailey, M.Boezio, for the GAPS Collaboration
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (2022年度)
• [Presentation] The GAPS Instrument: A Large Area Time of Flight and Spectrometer for Cosmic Antinuclei (2022)
  • Author(s): Riccardo Munini, GAPS Collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, D.Campana, W.W.Craig, E.Everson, L.Fabris, H.Fuke et al.)
  • Organizer: 44th COSPAR Scientific Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The GAPS experiment: search for dark matter signatures from cosmic-ray antinuclei (2022)
  • Author(s): Alessio Tiberio, GAPS Collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, D.Campana, W.W.Craig, E.Everson, L.Fabris, H.Fuke et al.)
  • Organizer: 44th COSPAR Scientific Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of control and monitoring system for the GAPS heat pipe (2022)
  • Author(s): M.Kozai, M.Saijo, K.Tokunaga, S.Okazaki, H.Fuke, A.Kawachi, Y.Shimizu
  • Organizer: 44th COSPAR Scientific Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] GAPS
  • URL: https://gaps.isas.jaxa.jp/