星間化学反応の全貌解明に向けた次世代中性分子検出システムの開発

• Project Area: Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes
• Project/Area Number: 21H05443
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 奥村 拓馬 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (70855030)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 中性分子検出器 / 超伝導検出器 / 星間化学反応 / 原子分子物理

Outline of Research at the Start

ALMA望遠鏡を始めとする近年の観測技術の向上から、惑星系形成領域における分子分布の化学的多様性が明らかになりつつある。この多様性の起源を解き明かすためには、反応バリアがほぼゼロの単純な気相反応を中心とした従来の星間化学から、反応バリアが有限でより複雑な分子が関与する反応を中心に据えた“次世代のアストロケミストリー”へ向けて、 舵を切っていかねばならない。本研究では、宇宙X線観測の分野で躍進的発展を遂げている超伝導検出器TESを導入することで、汎用的かつ高質量分解能な中性分子検出システムの開発し、より多様かつ複雑になる惑星系形成領域の気相反応の全貌解明に向けて、実験技術の躍進的な発展を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、より多様かつ複雑になる惑星系形成領域の気相反応の全貌解明に向けて、宇宙X線観測の分野で躍進的発展を遂げている超伝導検出器TESを導入した、新たな中性分子検出システムの開発を目指す。特に、惑星系形成領域に代表される高温環境(< 300 K)での反応観測が今後重要になるであろうことを鑑み、本研究では300 K反応領域と接続しても運用可能な中性分子検出技術を確立する。
昨年度、300 K反応チャンバーを接続した状態でのTES検出器の動作確認及び中性分子検出の原理実証に成功した。一方、現状のシステムにおける中性分子に対する検出器の質量分解能は、X線に対するエネルギー分解能から予想される値よりも１桁以上悪い。本年度は中性分子検出システムの分解能の向上を目指し、1)より効率的に赤外線を遮蔽可能な微小孔赤外線フィルタの開発と性能評価、2)実験およびシミュレーションによる中性分子に対するTES検出器の応答の評価を行った。
微小孔赤外線フィルタの導入により、システムの検出効率を１桁以上向上させることに成功し、また検出器の到達温度のさらなる低下によりシグナル・ノイズ比の大きな向上に成功した。
次に質量の異なる中性分子を検出システムへ導入し、TES応答の質量依存性を実験・シミュレーションの両面から検討した。シミュレーションによると重い粒子ほど分解能が悪化する傾向があるが、運動エネルギー5 keVにおいても数十eV程度の分解能を実現可能であり、実際の計測にも十分に応用可能であることが分かった。一方実験的には、計算よりも１桁以上悪い分解能が観測されたほか、質量依存性もより顕著であった。これらの結果から、実験的に見出された分解能の悪化はTES検出器に起因するものではなく、輻射遮蔽のために設けたシールドによる反跳に起因することが示唆される。本システムの実用化を目指し、引き続き装置の改良を続ける。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NIST(米国)
• [Int'l Joint Research] NIST(米国)
• [Journal Article] Proof-of-Principle Experiment for Testing Strong-Field Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms: High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon (2023)
  • Author(s): T. Okumura, T. Azuma, D. A. Bennett, I. Chiu, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T. Hashimoto, R. Hayakawa, G. C. Hilton, Y. Ichinohe, P. Indelicato, T. Isobe, S. Kanda, M. Katsuragawa, N. Kawamura, Y. Kino, K. Mine, Y. Miyake, K. M. Morgan, K. Ninomiya et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 17 Pages: 173001-173001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.173001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-sensitive XANES analysis at Ce L2-edge for Ce in bauxites using transition-edge sensors: Implications for Ti-rich geological samples (2023)
  • Author(s): Li Wenshuai、Yamada Shinya、et al.
  • Journal Title: Analytica Chimica Acta Volume: 1240 Pages: 340755-340755
  • DOI: 10.1016/j.aca.2022.340755
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic K x rays emitted from muonic atoms: An application of relativistic density-functional theory (2023)
  • Author(s): XM Tong, D Kato, T Okumura, S Okada, and T Azuma
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 107 Issue: 1 Pages: 012804-012804
  • DOI: 10.1103/physreva.107.012804
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The cerium isotope fingerprints of redox fluctuation in bauxites (2023)
  • Author(s): W. Li, X. M. Liu, R. Nakada, Y. Takahashi, Y. Hu, M. Shakouri, Z. Zhang, T. Okumura, S. Yamada
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 602 Pages: 117962-117962
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117962
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application of Deep Learning to the Evaluation of Goodness in the Waveform Processing of Transition-Edge Sensor Calorimeters (2022)
  • Author(s): Y. Ichinohe et al.
  • Journal Title: J. Low Temp. Phys. Volume: - Issue: 5-6 Pages: 02719-02719
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02719-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamical Response of Transition-Edge Sensor Microcalorimeters to a Pulsed Charged-Particle Beam (2021)
  • Author(s): Okumura Takuma、Azuma Toshiyuki、Bennett Douglas A.、Caradonna Pietro、Chiu I-Huan、Doriese W. Bertrand、Durkin Malcolm S.、Fowler Joseph W.、Gard Johnathon D.、Hashimoto Tadashi、Hayakawa Ryota、Hilton Gene C.、Ichinohe Yuto、Indelicato Paul et al.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 31 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3067793
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deexcitation Dynamics of Muonic Atoms Revealed by High-Precision Spectroscopy of Electronic K X Rays (2021)
  • Author(s): T. Okumura et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 127 Issue: 5 Pages: 053001-053001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.053001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ミュオニックAr多価イオンの形成ダイナミクス (2023)
  • Author(s): 奥村拓馬
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 宇宙環境下における分子イオン反応の観測を目指して：超伝導検出器による質量分析 IV (2022)
  • Author(s): 奥村拓馬
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] H, He, Li様ミュオニックAr原子の形成 (2022)
  • Author(s): 奥村拓馬
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] High-resolution spectroscopy of electronic K x rays from muonic atoms (2022)
  • Author(s): T. Okumura
  • Organizer: 20th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 宇宙環境下における分子イオン反応の観測を目指して：超伝導検出器による質量分析III (2021)
  • Author(s): 奥村拓馬
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 超伝導転移端検出器を用いた中性分子検出器の開発 (2021)
  • Author(s): 須田博貴
  • Organizer: 原子衝突学会第46回年会
  • Invited
• [Presentation] High resolution measurement of electronic K x rays from muonic atoms in metal (2021)
  • Author(s): T. Okumura
  • Organizer: Virtual International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (VICPEAC 2021)
  • Int'l Joint Research