Developing of an observation method for initial synthetic process of optical isomer on space ice dust

Research Project

Project/Area Number	23K22552
Project/Area Number (Other)	22H01281 (2022-2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2022-2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
Research Institution	Niigata University
Principal Investigator	副島浩一新潟大学, 自然科学系, 教授 (50283007)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	足立純一大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 講師 (10322629) 中井陽一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, 専任研究員 (30260194)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000) Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000) Fiscal Year 2022: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
Keywords	光学異性体過剰 / 円二色性 / アイスダスト表面反応 / 超高感度光学純度測定 / エナンチオ過剰度
Outline of Research at the Start	ホモキラリティーの起源に実験的に迫るためには、光学異性体過剰発生の初期段階で光学異性体過剰率を高感度、高精度で測定することが決定的に重要となる。そこで、擬似氷星間塵への円偏光入射により生成する微量のキラル分子から放出される光電子の角度分布に現れる円二色性から、その光学異性体過剰率を高感度・高精度で決定する従来にはなかった全く新しい原理に基づく分析法の開発を進める。この分析法は真空内で加熱蒸発なしに光学異性体過剰率をその場観測できるという優れた特徴も合わせ持っている。この分析法の実現により、これまで感度不足で手が出せなかった星間空間における初期の光学異性体過剰発生メカニズム解明への道が開く。
Outline of Annual Research Achievements	角度分解実験をおこなうことを念頭に、地磁気の遮蔽に配慮しながら真空チェンバーの設計をおこなった。非磁性のSUS材をつかい、高透磁率のμメタル製磁器遮蔽体をチェンバー内部に懸架できる設計にした。また、衝突領域への磁力線の侵入を可能な限り抑えるため、チェンバー壁と衝突領域までの距離をできるだけ稼ぐことを目的に大口径フランジを採用した。実験装置の製作を進めると同時に、冷凍機ヘッドの形状の検討を進めた。当初予定では球形状のヘッドにし、そこに試料分子を吸着させ放射光を斜入射させる予定であった。予備的な照射実験をおこなったところ、ギリギリで吸着分子に光照射することが非常に困難であることが分かった。そこで、分子吸着面として、電子顕微鏡用の試料固定用メッシュと＃100の金メッシュを候補とし、予備実験をおこなった。その結果、＃30で線径0.03mmのタングステン金メッキメッシュが最適であると判明した。一方、カイラル分子に対する円偏光照射光電離過程で生じる光電子角度分布円二色性（CDAD）からエネンチオ過剰度を決定する方法の精度、感度、妥当性を検討するために、気相実験であるが、ショウノウを試料にしたCDADの測定を高エネルギー加速器研究機構放射光施設において試験的に実施した。30eVの右円偏光で実験を行った結果、当初の予想通り、ラセミ様のショウノウではCDは観測されない一方、L体のショウノウではCDが観測された。CDの強度によりエネンチオ過剰度を決定する、当該研究で提案した原理の確認ができたことは大きな成果である。感度、精度に関しては予備実験であったため十分な確認はできなかったが、光強度が2桁ほど減少してしまうX線パルスセレクターを使用しなくても電子飛行時間測定実験は可能であることが確かめられた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 資源不足、特にステンレス鋼の流通不足の影響を大きく受け、実験装置の製作は計画通りに進まなかった。また、装置の付帯設備、特に電源等の電気機器関係は原材料費の高騰、資源不足の影響を受け、計画段階に比べて購入に必要な金額が大幅に値上がりした。その結果、当初予定していた性能の機器を購入できなかったのは今後の研究計画にも影響する大きな問題である。ただし、必要最低限の機器の購入および装置の製作は完了できたので、大きな計画の変更には至っていない。
Strategy for Future Research Activity	ロシアのウクライナ進行の影響を強く受けたが、令和４年度内に装置のパーツ製作および付帯設備の準備が完了できた。組み立て作業後、真空テストをおこなった装置をKEK放射光実験施設（PF）に持ち込む予定である。まず、PFのBL-20Aで完成した装置の到達真空度や到達冷却温度等の基本性能評価実験をおこない、問題点を洗い出し、必要なら装置の改良をおこなっていく計画である。その後、円偏光ビームラインBL28Aにおいてエナンチオ過剰度測定の感度および精度の確認実験を実施する。当該研究で提案している測定原理で肝要となるのは、分子の幾何学構造を強く反映した空間分布を持つ分子軌道の光電離過程を捉えることである。広範囲な電子エネルギースペクトルが容易に取得可能な電子TOF分析器の特徴を生かし、まず昨年度予備的におこなった気相試料でのCDAD測定で使用したショウノウのL体を冷却ヘッドに吸着させ、光電子スペクトルの測定をおこなう。光電子スペクトルを精査することで、CDAD測定に適した分子軌道を明らかにする。その際、理論的な研究で候補として挙げられている内側の価電子軌道に対応するエネルギー領域を重点的に探査する。また、対象の光学異性体分子以外から放出される光電子は、ノイズ成分を形成し感度の低下を招くため、ショウノウを水と共に冷却ヘッドに吸着させ、水の影響が小さいエネルギー領域を明確にする。それと同時に、まだ不明な点が多い氷表面からの光電子脱出効率の実験的情報の獲得を目指す。実験的に得られた情報を精査し、最適な測定条件を決めた後、高感度エナンチオ過剰度測定装置によるエナンチオ過剰度の検出限界を、低温表面へのショウノウのL体吸着量とCDAD測定値の相関から実験的に決定する。さらに、ショウノウL、D体の混合比を人工的に調整してエナンチオ過剰度を測定することで，エナンチオ過剰度測定の分解能を実験的に確認する。