エキゾチック原子法を用いた宇宙観測およびその応用による新機軸

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 19H05198
• 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: 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2019: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 検出器 / X線 / 宇宙線 / 粒子計測技術 / 数値シミュレーション / エキゾチック原子 / 高性能化 / 応用検討 / 粒子測定技術

Outline of Research at the Start

エキゾチック原子のカスケード崩壊に伴い放出される特性X線を測定しエキゾチック原子種を同定する「エキゾチック原子法」によって宇宙線中の反原子核の観測を高度化するという領域内の新機軸を探究する。エキゾチック原子法の中核を担うシリコン検出器の高性能化検討を行う。エキゾチック原子法の理解を深めるとともに、シリコン検出器の非破壊検査への利用や検出器アレイによるX線測定などへの活用も検討し、領域内各計画との連携を図る。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、エキゾチック原子のカスケード崩壊や対消滅に伴い放出される特性エックス線と荷電粒子群を測定・検出してエキゾチック原子種を同定する「エキゾチック原子法」の高度化を推進し本研究領域内の新機軸を探究することである。エキゾチック原子法の中核は中央検出器アレイが担う。検出器アレイは、入射反原子核に対する減速材とエキゾチック原子形成ターゲット、および、エックス線や荷電粒子飛跡の検出の役割を兼ねる。
本研究では、検出器に求められる高いエネルギー分解能・空間分解能や適度な物質量を比較的容易に実現できる検出器として、リチウムドリフト型シリコン（Si(Li)）検出器を採用した。そして、Si(Li)検出器の開発・高性能化のため、Si(Li)検出器の評価モデルを構築・確認し、広い温度範囲での特性評価などの各種試験を通じてSi(Li)検出器の高性能化に向けた基盤的データを取得した。
次に、Si(Li)検出器を他分野にも活用することを目指し、GEANT数値シミュレーションにより、放射線医療や宇宙ガンマ線観測への応用検討を行い、それらの成立性を確認した。
また、エキゾチック原子法の初の応用例として、宇宙線反原子核観測計画であるGAPS（General Anti-Particle Spectrometer）実験の測定器構成を念頭に、大規模Si(Li)検出器アレイの温度を比較的簡便に制御し検出器アレイを一括で校正できる試験システムを開発した。GEANT数値シミュレーションによる検出器アレイの設計最適化検討も進め、機械学習との融合によって反粒子識別能力を増強させたデータ解析ツールの開発も行った。
これらにより得られた成果は学会や学術論文として発表した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Journal Article] Passivation of Si(Li) detectors operated above cryogenic temperatures for space-based applications (2021)
  • Author(s): Saffold N.、Rogers F.、Xiao M.、Bhatt R.、Erjavec T.、Fuke H.、Hailey C.J.、Kozai M.、Kraych D.、Martinez E.、Melo-Carrillo C.、Perez K.、Rodriguez C.、Shimizu Y.、Smallshaw B.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 997 Pages: 165015-165015
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.165015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmic antihelium-3 nuclei sensitivity of the GAPS experiment (2021)
  • Author(s): Saffold N.、Aramaki T.、Bird R.、Boezio M.、Boggs S.E.、Bonvicini V.、Campana D.、Craig W.W.、von Doetinchem P.、Everson E.、Fabris L.、Fuke H.、Gahbauer F.、Garcia I.、Gerrity C.、Hailey C.J.、Hayashi T.、Kato C.、Kawachi A.、Kobayashi S.、Kozai M.、Lenni A.、et al. (the GAPS collaboration)
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 130 Pages: 102580-102580
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2021.102580
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmic-ray antinuclei as messengers of new physics: status and outlook for the new decade (2020)
  • Author(s): Doetinchem P. von、Perez K.、Aramaki T.、Baker S.、Barwick S.、Bird R.、Boezio M.、Boggs S.E.、Cui M.、Datta A.、Donato F.、Evoli C.、Fabris L.、Fabbietti L.、Bueno E. Ferronato、Fornengo N.、Fuke H.、Gerrity C.、Coral D. Gomez、Hailey C.、Hooper D.、Kachelriess M.、Korsmeier M.、Kozai M.、et al.
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Issue: 08 Pages: 035-035
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/08/035
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application of Machine Learning to the Particle Identification of GAPS (2020)
  • Author(s): WADA Takuya、FUKE Hideyuki、SHIMIZU Yuki、YOSHIDA Tetsuya
  • Journal Title: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN Volume: 18 Issue: 3 Pages: 44-50
  • DOI: 10.2322/tastj.18.44
  • NAID: 130007840127
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developing a mass-production model of large-area Si(Li) detectors with high operating temperatures (2019)
  • Author(s): Kozai M.、Fuke H.、Yamada M.、Perez K.、Erjavec T.、Hailey C.J.、Madden N.、Rogers F.、Saffold N.、Seyler D.、Shimizu Y.、Tokuda K.、Xiao M.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 947 Pages: 162695-162695
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162695
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-area Si(Li) detectors for X-ray spectrometry and particle tracking in the GAPS experiment (2019)
  • Author(s): Rogers F.、Xiao M.、Perez K.M.、Boggs S.、Erjavec T.、Fabris L.、Fuke H.、Hailey C.J.、Kozai M.、Lowell A.、Madden N.、Manghisoni M.、McBride S.、Re V.、Riceputi E.、Saffold N.、Shimizu Y.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 14 Issue: 10 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1088/1748-0221/14/10/p10009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal Control System to easily cool GAPS Balloon-borne Instrument on the Ground (2022)
  • Author(s): Hideyuki FUKE, Shun OKAZAKI, Akiko KAWACHI, Shohei KOBAYASHI, Masayoshi KOZAI, Hiroyuki OGAWA, Masaru SAIJO, Shuto TAKEUCHI, and Kakeru TOKUNAGA
  • Organizer: 33rd ISTS (International Symposium on Space Technology and Science)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New Particle Identification Approach with Convolutional Neural Network in GAPS (2022)
  • Author(s): Yusuke NAKAGAMI, Masahiro YAMATANI, Hideyuki FUKE, Akiko KAWACHI, Masayoshi KOZAI, Yuki SHIMIZU, and Tetsuya YOSHIDA
  • Organizer: 33rd ISTS (International Symposium on Space Technology and Science)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の近況報告 (2022)
  • Author(s): 福家英之, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 中上裕輔, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 小松明寛, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 大山千晶, 鈴木直康, 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22回)
• [Presentation] Potential and applications of large-area Si(Li) detectors developed for the GAPS project (2021)
  • Author(s): H.Fuke, Y.Shimizu, M.Kozai, F.Rogers, K.Perez, and C.J.Hailey
  • Organizer: 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of mass-production data of the GAPS Si(Li) detectors using data-mining methods (2021)
  • Author(s): M.Kozai, K.Tokunaga, H.Fuke, T.Erjavec, C.J.Hailey, C.Kato, N.Madden, K.Munakata, K.Perez, F.Rogers, N.Saffold, Y.Shimizu, and M.Xiao
  • Organizer: 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mass production of large-area lithium-drifted silicon detectors for the GAPS silicon tracker (2021)
  • Author(s): Masayoshi Kozai, Kakeru Tokunaga, Hideyuki Fuke, Tyler Erjavec, Charles J. Hailey, Chihiro Kato, Norman Madden, Kazuoki Munakata, Kerstin Perez, Field Rogers, Nathan Saffold, Yuki Shimizu, Mengjiao Xiao
  • Organizer: TIPP (International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics) 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索計画GAPSの熱制御システムの開発 (2021)
  • Author(s): 西城大, 岡崎峻, 小財正義, 河内明子, 小川博之, 福家英之
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の現状報告 (2021)
  • Author(s): 福家英之, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 中上裕輔, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 小松明寛, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 大山千晶, 鈴木直康, 高橋俊, Charles Hailey, Mirko 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 (2021年度)
• [Presentation] 宇宙線反粒子識別を対象とした機械学習の応用と根拠の可視化 (2021)
  • Author(s): 今福拓海, 石川博, 山本幸生, 荒木徹也, 福家英之, 清水雄輝, 和田拓也, 中上裕輔
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学情報解析シンポジウム (2020年度)
• [Presentation] Detailed Characterization of Novel Si(Li) Detectors for the GAPS Experiment (2020)
  • Author(s): Nishat F. Protyasha, Devin Seyler, Gabriel Bridges, Hideyuki Fuke, Amani Garvin, Charles J. Hailey, Cassia Harper, Kanav Kalucha, Masayoshi Kozai, Kerstin Perez, Field Rogers, Nathan Saffold, Yuki Shimizu, Brian Smallshaw, and Mengjiao Xiao
  • Organizer: 2020 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Passivation of Si(Li) Detectors operated above Cryogenic Temperatures for Space Applications (2020)
  • Author(s): Nathan Saffold, Charles J. Hailey, Evan Martinez, Field Rogers, Hideyuki Fuke, Kerstin Perez, Masayoshi Kozai, Mengjiao Xiao, Radhika Bhatt, Tyler Erjavec, and Yuki Shimizu
  • Organizer: 2020 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] エキゾチック原子法を用いた宇宙観測およびその応用による新機軸 (2020)
  • Author(s): 福家英之
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋」領域研究会
• [Presentation] Low-power, large-scale distributed hybrid thermal system to cool silicon detectors in the GAPS instrument (2019)
  • Author(s): Hideyuki Fuke, Shun Okazaki, Manami Kondo, Akiko Kawachi, and Hiroyuki Ogawa
  • Organizer: IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large-area Si(Li) Detectors for X-ray Spectrometry and Particle Tracking for the GAPS Experiment (2019)
  • Author(s): Field Rogers, Mengjiao Xiao, Kerstin Perez, Steven Boggs, Tyler Erjavec, Lorenzo Fabris, Hideyuki Fuke, Charles J. Hailey, Masayoshi Kozai, Alex Lowell, Norman Madden, Massimo Manghisoni, Steve McBride, Valerio Re, Elisa Riceputi, Nathan Saffold, Yuki Shimizu, and Gianluigi Zampa
  • Organizer: IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of Machine Learning to the Particle Identification of GAPS (2019)
  • Author(s): Takuya WADA, Hideyuki FUKE, Yuki SHIMIZU, and Tetsuya YOSHIDA
  • Organizer: 32nd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験の現状報告‐日本チームの進捗を中心として‐ (2019)
  • Author(s): 小財正義, 福家英之, 岡崎峻, 小川博之, 西城大, 徳永翔, 吉田哲也, 竹内崇人, 中上裕輔, 吉田篤正, 和田拓也, 清水雄輝, 山田昇, 小池貴久, 加藤千尋, 宗像一起, 永井大樹, 河内明子, 小林聖平, 五味颯雅, 近藤愛実, 高橋俊, 竹村薫, 田邉拓哉, 長島弘明, 水野広基, 井上剛良, 他
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の（特に日本チームの）現状報告 (2019)
  • Author(s): 福家英之, 小財正義, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 吉田哲也, 中上裕輔, 竹内崇人, 和田拓也, 吉田篤正, 清水雄輝, 山田昇, 小池貴久, 加藤千尋, 宗像一起, 永井大樹, 五味颯雅, 河内明子, 小林聖平, 近藤愛実, 水野広基, 長島弘明, 高橋俊, 竹村薫, 田邉拓哉, 井上剛良, 他
  • 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
• [Presentation] ニューラルネットワークを用いたGAPS用粒子識別法の開発 (2019)
  • Author(s): 和田拓也, 小財正義, 清水雄輝, 中上裕輔, 福家英之, 吉田哲也
  • 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
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の（特に日本チームの）現状報告 (2019)
  • Author(s): 福家英之, 小財正義, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 吉田哲也, 中上裕輔, 竹内崇人, 和田拓也, 吉田篤正, 清水雄輝, 山田昇, 小池貴久, 加藤千尋, 宗像一起, 永井大樹, 五味颯雅, 河内明子, 小林聖平, 近藤愛実, 水野広基, 長島弘明, 高橋俊, 竹村薫, 田邉拓哉, 井上剛良, 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
• [Presentation] 大型・量産用リチウムドリフト型シリコン検出器の開発 (2019)
  • Author(s): 福家英之
  • Organizer: 新学術領域「クラスター階層」「量子ビーム応用」合同検出器ワークショップ
• [Presentation] Cosmic-ray observation using exotic atoms and applications of this new approach (2019)
  • Author(s): H.Fuke
  • Organizer: 新学術領域「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」 第 1 回領域全体会議
• [Remarks] GAPS
  • URL: https://gaps.isas.jaxa.jp/
• [Remarks] GAPS
  • URL: http://gaps.isas.jaxa.jp/