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2016 Fiscal Year Research-status Report

異方性を持った無機結晶シンチレーターによる方向感度暗黒物質検出器の開発

Research Project

Project/Area Number 15K13478
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

関谷 洋之  東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (90402768)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 吉川 彰  東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50292264)
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) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords暗黒物質 / シンチレータ / 方向感度 / 素粒子実験 / 宇宙線
Outline of Annual Research Achievements

まず、昨年度製作した1㎝角の結晶に加え、1㎝角および2㎝角のZnWO4結晶を入手し、光学的な評価を行った。高精度複数軸X線回折計(ATX)を用いて、劈開面がb軸に垂直な面(b軸面)であることを確認した。またこの面に対し結晶が複屈折性を示さない光学軸を含む面であるということが判明し、複屈折性と発光応答異方性に関係があることが示唆された。そして、改めて異方性を、137Csからのγ線と241Amからのα線で評価したところ、b軸面に垂直に照射した際にα/γ比が最大となり、それとほぼ垂直なa軸で最小となることが確認できた。以上のことから、今後結晶のカットにおいて光学軸を基準に異方性が最大となるような最適化を行う方針である。
結晶開発については、再現性確認のために直径1インチのZnWO4結晶をチョクラルスキー法にて育成したほか、計画通り、光学的異方性が生じる原因解明のためにZnWO4のZnのサイトを一部Mgで置換した (Zn, Mg)WO4についても1インチ直径の単結晶を育成することに成功した。製作した(Zn, Mg)WO4についても241Amからのα線で評価したところ、b軸面に垂直に照射した際にα/γ比が最大となり、それとほぼ垂直なa軸で最小となることが確認できたが、その差はZnWO4結晶よりも小さく2%程度であった。この結果から、Znよりイオン半径の小さいMgを入れることで、結晶格子は立法晶に近づき、異方性については影響が小さくなると推察され、異方性が単位格子の構造に起因していることを強く示唆している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画通り、2㎝角のサイズの結晶の評価が進んでいる。中性子を用いた原子核反跳に対する応答を見る実験は準備中である一方、複屈折と結晶構造の二つの異方性の起源に迫る研究を展開できた。

Strategy for Future Research Activity

今年度の結果を参考に、よりよい材料設計に取り組み、1インチ以上の単結晶の育成をチョクラルスキー法で行う。そのためにも、ZnWO4をベースとして、系統的に一部の組成を置換して、結晶格子を変化させ、異方性についての評価を行う。さらに、Cf252中性子線源や東北大CYRICの中性子ビームラインなどを用いて、原子核反跳による異方性についての評価を行う。

Causes of Carryover

中性子を用いたZnWO4結晶の応答の評価を予定していたが、光学的異方性が生じる原因解明のためにZnWO4のZnのサイトを一部Mgで置換した (Zn, Mg)WO4結晶の製作を優先したので、中性子応答評価のための物品を購入しなかったから。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度にCf中性子源および、光電子増倍管を購入する計画である。

  • Research Products

    (6 results)

All 2017 2016 Other

All Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [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IV2017

    • Author(s)
      黒澤俊介, 関谷洋之, 堀合毅彦, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰
    • Organizer
      日本物理学会 第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学 豊中キャンパス
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [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III2016

    • Author(s)
      黒澤俊介, 関谷洋之, 村上力輝斗, 堀合毅彦, 庄子育宏, 荒川元孝, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰
    • Organizer
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      宮崎大学 木花キャンパス
    • Year and Date
      2016-09-21 – 2016-09-24
  • [Presentation] Crystal Growth of Zinc Tungstate Crystals for Dark Matter Search2016

    • Author(s)
      S. Kurosawa, H. Sekiya, R. Murakami, T. Horiai, Y. Shoji, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, A. Yoshikawa
    • Organizer
      The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
    • Place of Presentation
      Nagoya International Exhibition Hall, Japan
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Studies on ZnWO4 crystals for the direction-sensitive dark matter search2016

    • Author(s)
      Hiroyuki Sekiya
    • Organizer
      11th International Conference on Identification of Dark Matter (IDM2016)
    • Place of Presentation
      Cutlers' Hall, Sheffield, UK
    • Year and Date
      2016-07-18 – 2016-07-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Status of making ZnWO4 Crystals2016

    • Author(s)
      Hiroyuki Sekiya
    • Organizer
      CYGNUS-TPC kick-off meeting
    • Place of Presentation
      Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
    • Year and Date
      2016-04-07 – 2016-04-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 結晶シンチレーターによる方向感度暗黒物質検出器の開発

    • URL

      http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/~sekiya_s/DirectionalDM/

URL: 

Published: 2018-01-16  

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