2022 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics |
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| Project/Area Number |
19H05809
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
吉田 斉 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (60400230)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石徹白 晃治 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 准教授 (20634504)
岸本 康宏 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 教授 (30374911)
大谷 知行 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (50281663)
美馬 覚 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 研究員 (50721578)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 極低温検出器 / ニュートリノ / 暗黒物質探索 / アクシオン / 超伝導検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
KIDを用いた低エネルギー検出器開発は順調に進み、当初目標は10eVが達成できていることを、温度と準粒子数の理論モデルを前提に、確認することに成功した。多様な検出器との連帯として産業技術総合研究所と共同研究契約書を作成し、ガンマ線TESを素粒子・宇宙研究に応用する試みを開始した。神岡地下にKEK QUPと協力して希釈冷凍機を設置する準備を進めている。D01班と協力して、低放射能化の鍵となるシールド材料や検出器材料の放射性不純物測定を進めた。来年度の秋頃に神岡地下へ希釈冷凍機を設置する予定である。また、先行実験として、ソープション冷凍機を神岡地下へ持ち込みKIDのバックグランドが地上と
地下でどのように変わるかを評価した。
超伝導検出器MKIDの検出器を保持する治具の改良を行い、よりフォノンを効率的に検出器に吸収できるようにした。東北大学の希釈冷凍機を用いて冷却し、 X線を照射することで放射線に対する検出器応答の評価を行った。
Purdue大学と共同で，NbTiN(200nm)/NbTi(15nm)を円筒側面にスパッタリングした空洞を作成し，そのQ値を測定した．結果は，B=0 TでQ_0=5.5×10^4，B=9TでQ_0=4.6×10^4であった．側面のみに超伝導薄膜を施工した結果，磁場無しでのQ値はそれほど高くないが，強磁場下でのQ値低下を抑制することができた．一方でこの値は，高純度銅（C1011）製空洞のQ値と大差なく，超伝導薄膜の優位性を確かめることはできなかった．
サファイアを用いたフォトニック結晶空洞では，磁場無しで，最大のQ値，1.2×10^5を達成し，本研究の目標をクリアした．しかし，先行研究によると更に高Q値を達成する可能性があり，今後も研究を継続する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
多様な検出器との連帯として産業技術総合研究所と共同研究契約書を作成し、SnやTaを吸収体としたガンマ線TESを素粒子・宇宙研究に応用する試みを開始した。KEK QUPと協力して神岡地下への冷凍機設置も準備も順調に準備が進んでいる。蛍光熱量計の物品調達については若干の遅れがあるが、すでに納品めどは立っていて研究の進捗に支障はきたさないように回復できる。
銅の純度，銅表面の処理（電解研磨，精密旋盤鏡面仕上げ），機械加工後のアニーリング処理工程，超伝導薄膜の利用，フォトニック結晶の利用などを調べた結果、強磁場（９T）中で，当初の目標であったQ=105を，フォトニック結晶を用いて達成しており，研究は順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
KID検出器での10eV閾値は準粒子数変化から見積もったものである。線形性や分解能を評価するために、光を照射しての動作試験を行う。ガンマ線TESでは２重電子捕獲の探索を行い優位性を検証する。また、神岡地下に希釈冷凍機の設置を進める。
また、MKID基板でのイベントとノイズイベントを弁別できるよう、フッ化カルシウム基板の両面に超伝導検出器を作製する。また、これまでに作製したAlやNbより転移温度の低い超伝導体Hf（ハフニウム）を使った検出器を作製し、よりエネルギー分解能の高い検出器を試作する。
フォトニック結晶空洞が好成績を納めているものの，比較的コストがかかるため，大型の空洞には不向きである．これまで，アクシオン探索では基本モードのTM010を用いるのが通常であったが，独自に検討したところ，原理的には，空洞形状を工夫することでTE011モードも探索に利用できることが分かった．このモードは高いQ値が得られることが知られており，この特殊形状の空洞の原理検証とQ値測定を行い，Q=105を大きく超えた空洞の実現を図る．
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