2016 Fiscal Year Research-status Report
プラズモン共鳴の偏光応答を用いた原子核乾板上の微細飛跡の超解像法の開発
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15K13476
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
久下 謙一 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 教授 (10125924)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中 竜大 名古屋大学, 現象解析研究センター, 特任助教 (00608888)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 素粒子検出 / 暗黒物質 / 原子核乾板 / 飛跡検出 / 超解像顕微鏡法 / 局在プラズモン共鳴発光 / 超微粒子乳剤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子核乾板の持つ高解像度で３次元記録が可能という特性を用いて、ダークマターの方向性を含めて検出する国際プロジェクト（NEWS: Nuclera Emulsion for WIMPs Search）が進行中である．ダークマター検出のためには原子核乾板上に記録される微細飛跡の方向を含めた検出が必要である．本研究ではそのプロジェクトの一環として、微細飛跡検出の萌芽的技術の開発を進めた．ダークマターの反跳粒子のような短寿命素粒子が作る飛跡は，光学顕微鏡で解像しないほど微細であり，大面積の中からこのような微細飛跡を簡便・迅速に検出しなければならない．光学顕微鏡は方向性を含めた画像が取得できる簡便・安価な検出器であるが，解像度以下の微細飛跡を検出するための超解像顕微鏡法が必須となる．原子核乾板上で飛跡を作る現像銀微粒子は、金属微粒子特有の表面局在プラズモン共鳴発光を示すので、この発光を用いた超解像顕微鏡法を検討した．
落射の光学系で油浸レンズを用いることで、現像銀粒子の発光が光学顕微鏡で観察された。透過像では見えない飛跡も，発光像では明瞭に認識され，プラズモン共鳴発光が超解像顕微鏡法として有用であることが示された。
この局在プラズモン共鳴発光は偏光依存性を持ち，現像銀粒子をフィラメント状にして異方性を持たせることで，偏光の回転により接近した粒子を順に発光させて，区別して検出することができた．これは現像銀粒子個数の精密なカウントを可能とする。
飛跡の単位長さあたりの現像銀粒子個数は、飛跡を作った荷電粒子のエネルギーロスを表す。偏光応答を含めたプラズモン共鳴発光により個数を数える方法を用いて、微細飛跡からの高精度なエネルギーロス測定への展開を試みた。
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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
光学顕微鏡において、垂直落射の光学系と油浸レンズの使用で屈折率を調整することで、現像銀粒子のプラズモン共鳴発光を観察することができた。透過像ではぼんやりとしか，あるいはなにも見えない飛跡も，発光像では飛跡を作る現像銀粒子の列が明瞭に認識された．透過像では接近して解像できない現像銀粒子の集団でも個々の粒子を区別して検出できた．
さらにこの発光は粒子の形状に異方性があると，偏光した励起光に対して異方性の方向に応じた偏光応答を示す．異方性をもつように調製した現像銀粒子からなる飛跡を，偏光をかけて観察すると，偏光の回転に伴いそれぞれの粒子の示す発光が強弱の変化を示し，単なる発光像では重なって解像し得ないものも区別して検出された．
原子核乾板では放射線のエネルギーによりセンサーとなるハロゲン化銀粒子上に潜像核が形成され，現像処理により潜像核を持つハロゲン化銀粒子が現像銀粒子となる．飛跡を作った荷電粒子のエネルギーロスが大きいほど潜像核個数が増えるので、飛跡の単位長さあたりの潜像核個数である潜像核個数線密度の測定からエネルギーロスが見積もられる。通常の現像過程では潜像核を持つハロゲン化銀粒子はそのまま現像銀粒子となる．その前に現像を停止する抑制現像法を用いると，個々の潜像核から発生するフィラメント状の微細な現像銀粒子に止めることができ，その個数は潜像核の個数を表すことになる。
原子核乾板に高エネルギーの炭素イオンを照射し，抑制現像により潜像核上にフィラメント状の微小現像銀粒子を形成した．光学顕微鏡の透過像では観察不能である個々の現像銀粒子も発光像では区別でき、偏光を回転させながらカウントすることで、分離能が向上することを確認し，潜像核個数の測定が可能であることを確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
潜像核個数線密度の測定により，一般的な単位長さあたりの現像銀粒子個数であるグレインデンシティより細かいエネルギーロス測定が可能となる．1個のハロゲン化銀粒子上に多数の潜像核ができる潜像核の分散を強めることで，エネルギーロス測定のダイナミックレンジを拡大することができ，またより短い飛跡からもエネルギーロスを精度良く検出することができると期待される．これよりダークマターの反跳粒子の微細飛跡からのエネルギーロス測定も可能となり，粒子の同定にも有用である．
そのため潜像核の分散を強めた原子核乾板を調製する．以前に乳剤に硫黄増感を施したり，テトラゾリウム化合物を添加することで，潜像核の分散を強める効果があることを報告した．これらの手法を用いて分散を強めた原子核乾板を調製する．ここへ高エネルギー荷電粒子を照射し，抑制現像によりそれぞれの潜像核上にフィラメント状の現像銀粒子を形成する．プラズモン共鳴発光を検出できるように，また偏光を回転してかけられるように構築した光学顕微鏡により発光を観察する．単位長さあたりの発光数を，偏光応答も利用してカウントし，潜像核個数線密度を求める．
放射線医学総合研究所の重粒子線加速器HIMACのマシンタイム配分を受けていることから，エネルギーの異なる重粒子線を照射して，各エネルギーロスごとの潜像核個数線密度を求めておき，両者の関係を示す検量線を作成する．この検量線をダークマターの反跳粒子のエネルギー測定にも適用しうるか検証する。
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| Causes of Carryover |
国際会議での成果発表のための旅費を計上していたが、授業等の本務多忙のため海外へ出る時間がとれず、旅費として計上した分が未消化となった。
消耗品については工夫を凝らして節約に努めた結果、支出を抑えることができた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
成果発表については、国際会議のために長時間大学を空けるのは困難であるので、論文発表に重点を置いて投稿料として支出する。
消耗品の節約分については、最終年度で支出が増大することが見込まれるので、それにあてることとする。
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Research Products
(25 results)
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[Presentation] エマルジョン暗黒物質探索実験 NEWS(1) 解析速度とS/N向上のための光学システムの開発2017
Author(s)
梅本篤宏, 中竜大, 浅田貴志, 桂川貴義, 吉本雅浩, 市来浩勝, 岡田晟那, 小林龍太, 多田智美, 佐藤修, 久下謙一, NEWS collaboration
Organizer
日本物理学会年次大会
Place of Presentation
大阪大学 豊中
Year and Date
2017-03-17 – 2017-03-20
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[Presentation] エマルジョン暗黒物質探索実験 NEWS(2) 地下実験に向けた活動報告と課題2017
Author(s)
中竜大, 梅本篤宏, 桂川貴義, 吉本雅浩, 浅田貴志, 市来浩勝, 岡田晟那, 小林龍太, 多田智美, 佐藤修, 久下謙一, NEWS collaboration
Organizer
日本物理学会年次大会
Place of Presentation
大阪大学 豊中
Year and Date
2017-03-17 – 2017-03-20
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