Study on Anisotropic Scintillators for Darkmatter Search

• Project Area: Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research
• Project/Area Number: 17H05190
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 黒澤 俊介 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (80613637)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2018: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2017: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: シンチレータ / 暗黒物質 / 結晶方位 / 暗黒物質探索 / 結晶育成 / 光物性 / 暗黒物質探査 / フォトニック結晶 / 実験核物理

Outline of Annual Research Achievements

暗黒物質は、白鳥座方向から「吹いてくる」と地球上からは感じる、とされていることから、方向感度を持ち、暗黒物質と相互作用する物質を利用すれば、より感度よく暗黒物質とその他のノイズを分別することができる。その候補として、タングステン酸塩結晶を用いたシンチレータに、本研究では注目した。シンチレータとは、放射線などの高いエネルギーの光子や粒子が入射すると、我々の目、ないしは、光検出器で感じることのできる光を発光する機能性材料である。
タングステン酸結晶を中心に単結晶をチョクラルスキー法を用いて育成を行った。チョクラルスキー法は、質の良い結晶を育成できる方法のひとつであり、たとえばシリコン半導体の結晶育成にも利用されている方法である。育成した結晶については、評価用に、切り出し・研磨を行った。その後、暗黒物質はそもそも正体不明であるので、模擬的にアルファ線やガンマ線と呼ばれる放射線を当てて、その時の発光の様子について観察した。
結晶とは、あるユニット（単位格子）が規則正しく並んだものであるが、この格子が直方体に近い形を当該結晶は取っており、そこに入射するガンマ線はエネルギーが同じでも、入射する面によって発光量が異なるということが分かった。これまでのシンチレータでは、ガンマ線などの放射線を入射させると、発光量は結晶の入射面に依らないことが常識であったため、この結果は驚きでもあった。
本研究では、さらに、なぜ、このような現象が起こるのかについての、解明についても取り組んだ。未だ解明中ではあるものの、あるグループにおいては結晶の入射面によって発光特性が変わることが分かってきた。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [Int'l Joint Research] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [Int'l Joint Research] 物理研(ロシア連邦)
• [Journal Article] Comprehensive study on Ce-doped (Gd, La)2Si2O7 scintillator (2018)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Takahiko Horiai, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Pejchal Jan, Akihiro Yamaji, Shohei Kodama, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Akimasa Ohnishi, Mamoru Kitaura
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 65 Issue: 8 Pages: 2136-2139
  • DOI: 10.1109/tns.2018.2841917
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structure of Ce-doped (La,Gd) 2 Si 2 O 7 grown by the Czochralski process (2018)
  • Author(s): Murakami Rikito、Kurosawa Shunsuke、Yamane Hisanori、Horiai Takahiko、Shoji Yasuhiro、Yokota Yuui、Yamaji Akihiro、Ohashi Yuji、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • Journal Title: J. Alloys Compd. Volume: 748 Pages: 404-404
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.286
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth and luminescent properties of Ce and Eu doped Cesium Hafnium Iodide single crystalline scintillators (2018)
  • Author(s): Shohei Kodama, Shunsuke Kurosawa, Akihiro Yamaji, Jan Pejcahl, Robert Kral, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Martin Nikl, Akira Yoshikawa
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 492 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.03.033
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal Growth and Optical Properties of Organic Crystals for Neutron Scintillators (2018)
  • Author(s): Akihiro YAMAJI, Shunsuke KUROSAWA, Yuji OHASHI, Yuui YOKOTA, Kei KAMADA and Akira YOSHIKAWA
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Issue: 0 Pages: 2405011-2405011
  • DOI: 10.1585/pfr.13.2405011
  • NAID: 130006639026
  • ISSN: 1880-6821
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Growth and Luminescent Properties of Cs2HfCl6 Scintillators Doped With Alkaline Earth Metals (2018)
  • Author(s): S. Kodama, S. Kurosawa, J. Pejchal, R. Kral, A. Yamaji, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, M. Nikl, and A. Yoshikawa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 65 Issue: 8 Pages: 2169-2173
  • DOI: 10.1109/tns.2018.2848474
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 通電焼結法による透光性セラミックスシンチレータの開発 (2018)
  • Author(s): 黒澤 俊介・原田 晃一
  • Journal Title: 日本セラミックス協会・協会誌「セラミックス」 Volume: 第53巻9月号 Pages: 603-606
• [Presentation] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討8 (2019)
  • Author(s): 黒澤俊介, 関谷洋之, 阿部まりな, 山路晃広, ピーダーセン珠杏, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Scintillation and Optical Properties for Ce-doped (Gd, La)2Si2O7 in Low Temperature (2018)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Masao Yoshino, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa, Akimasa Ohnishi and Mamoru Kitaura
  • Organizer: The 13th Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials (EURODIM 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical properties of Cr-doped ホイ-Ga2O3 as red and near infra-red emission scintillators (2018)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Masao Yoshino, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • Organizer: The 5th International Conference on the Physics of Optical Materials and Devices (ICOM2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scintillation Properties of Y admixed Gd2Si2O7 doped with Ce (2018)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Toetsu Shishido, Takamasa Sugawara, Akiko Nomura, Kunio Yubuta, Takahiko Horiai, Jan Pejchal, Jary Vitezslav, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Yasuhiro Shoji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Martin Nikl, Akimasa Ohnishi, and Mamoru Kitaura
  • Organizer: 10th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LumDeTr '18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Luminescent properties of Vacuum-Ultra-Violet scintillators with a novel Si-PM (2018)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Shohei Kodama, Shinnosuke Yamato, Takahiko Horiai, Jan Pejchal, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Yasuhiro Shoji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, and Akira Yoshikawa
  • Organizer: 10th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LumDeTr '18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature dependence and bandgap evaluation for Ce:(La, Gd)2Si2O7 scintillator (2018)
  • Author(s): S. Kurosawa, T. Horiai, Y. Shoji, R. Murakami, S. Yamato, A. Yamaji, M. Yoshino, Y. Yokota, Y. Ohashi, K. Kamada, A. Yoshikawa, A. Ohnishi, M. Kitaura
  • Organizer: 2018 IEEE Nuclear science Symposium and Medical Imaging Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direction-Sensitive Dark Matter Search Using Ungstate Scintillator (2018)
  • Author(s): S. Kurosawa, H. Sekiya, M. Tsukahara, M. Abe, A. Yamaji, R. Murakami, T. Horiai, S. Kodama, Y. Shoji, M. Yoshino, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, A. Yoshikawa, A. Ohnishi
  • Organizer: 15th Vienna Conference on Instrumentation (VCI2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Real-Time Dose-Verification in Particle Therapy Using an Electron-Tracking Compton Camera (2018)
  • Author(s): S. Kurosawa, K. Kamada, S. Sonoda, T. Mizumoto, M. Yoshino, H. Numakura, T. Tanimori, A. Takeda, A. Yamaji, Y. Ohashi, Y. Yokota, A. Yoshikawa, F. Tokanai, T. Iwai, K. Nemoto
  • Organizer: 15th Vienna Conference on Instrumentation (VCI2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討7 (2018)
  • Author(s): 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, ピーダーセン珠杏, 塚原美紗, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Scintillation Properties of ZnWO₄ Crystals for Direct-Sensitive Dark Matter Search (2018)
  • Author(s): Misa Tsukahara, Shunsuke Kurosawa, Hiroyuki Sekiya, Akihiro Yamaji, Mamoru Kitaura, Akimasa Ohnishi
  • Organizer: the 2nd International Symposium on Radiation Detectors and Their Uses (ISRD2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討VI (2018)
  • Author(s): 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, 塚原美紗, ピーダーセン珠杏, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正, 北浦守
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 暗黒物質方向感度検出器の開発のためのZnWO₄シンチレータの異方性の測定 (2018)
  • Author(s): ピーダーセン珠杏, 関谷洋之, 黒澤俊介, 吉川彰, 山路晃広, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 塚原美紗, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 大西彰正, 北浦守
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] Scintillation Properties of (Zn,Mg)WO₄ for Dark Matter Search (2017)
  • Author(s): Shunsuke Kurosawa, Hiroyuki Sekiya, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Shohei Kodama, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Akimasa Ohnishi, Mamoru Kitaura
  • Organizer: 14th International conference on Scintillating Materials and their Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 異方性シンチレータによる極低温熱量計型暗黒物質方向感度検出器の開発 (2017)
  • Author(s): 関谷洋之, Yong-Hamb KimA, Jin-A JeonA, Hyelim KimA, 黒澤俊介, 山路晃広
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討V (2017)
  • Author(s): 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, 塚原美紗, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正, 北浦守
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] 暗黒物質探索を目指した ZnWO₄ 結晶の光学的性質の研究 (2017)
  • Author(s): 塚原 美紗，黒澤 俊介，関谷 洋之，山路 晃広，北浦 守，大西 彰
  • Organizer: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2017)
• [Presentation] タングステン酸化物シンチレータの 発光異方性を利用した暗黒物質探索の検討 (2017)
  • Author(s): 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, 塚原美紗
  • Organizer: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2017)
  • Invited
• [Remarks] 黒澤俊介のページ
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/
• [Remarks] Shunsuke Kurosawa`s page
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/index.html