超伝導ミリ波検出器と電波観測技術を応用した新しい宇宙背景ニュートリノ探索法の開拓

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K13493
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 長谷川 雅也 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 助教 (60435617)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: ニュートリノ / 超伝導検出器

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ニュートリノ捕獲反応を用いた宇宙背景ニュートリノの直接検証に向けて、超伝導ミリ波検出器と電波観測技術を応用した新しい手法を開拓する事を目標としている。具体的に新しい手法とは、「超伝導検出器を用いた（捕獲反応からの）電子エネルギーの精密測定」と「電波を用いた電子のトラッキングによる背景事象の削減」である。これらの手法を用いて崩壊電子を0.1eV以下のエネルギー分解能で、かつS/N比が1を越えるクリアな検出が実現すれば、これまで不可能と言われて来た宇宙背景ニュートリノの検出器について道筋が開かれる。
本年度は、昨年度に引き続き、手法の原理検証を行うためのプロトタイプ検出器の設計及びコンポーネントの性能評価を進めた。また性能評価の結果をもとにシミュレーションを行い、クリプトンからの崩壊電子に対するエネルギー分解能および背景事象の削減効率の評価を行った所、磁場中の電子が放出するサイクロトロン放射を受信するアンテナの配置を改善する必要がある事が分かり、シミュレーションに基づいてプロトタイプ検出器の再設計を行った。
また、電子エネルギーの精密測定に用いる、超伝導検出器に関して、1)TES型ボロメータを使用した場合の(信号線の多重度>100を越える）読み出し回路の手法、2) (すでに多重度>100を達成している) MKID検出器による電子エネルギー測定法、について専門分野の研究者と打ち合わせを行い、今後の開発方針に関して一定の目処がついた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

実測に基づくシミュレーションスタディからのフィードバックとして、トラッキング部の原理検証に用いるプロトタイプ検出器のデザインの変更が必要となり、予定通り原理検証が完了出来なかったため(3)やや遅れている。とした。ただし、設計はほぼ完了し、原理検証が開始出来る目処はたっている。また最終的に電子のエネルギーを測定するための超伝導検出器に関して、従来のTES型ボロメータを用いた手法の他に、別の検出器(MKID)を用いた測定の可能性が確認出来、検出器を準備する時間の大幅な短縮が期待できる事が分かった。

Strategy for Future Research Activity

本年度はプロトタイプ検出器を用いた、トラッキング部の原理検証を行う。また、電子のエネルギー測定に用いる超伝導検出器のプロトタイプを製作し性能評価を行う。最終的に評価すべき項目は「電子検出効率」と「エネルギー分解能」である。本研究で提案する手法は未開拓の手法であるため、常にシミュレーションと結果を比較しながら、本検出法の深い理解を目指す。
原理検証が完了したら、宇宙背景ニュートリノの検出に向けた実機製作のためのシステムのセットアップの検討を行う。検討は基本的にシミュレーションを用いて行う。トラッキング部の長さや磁場のつよさ、超伝導検出器のセグメントの大きさ等、配置を変えながら、エネルギー分解能やバックグラウンド事象のレート等を考慮して、S/Nがより高くなるセットアップを考案する。最終的に期待される性能を系統誤差を含めて評価し、宇宙背景ニュートリノ検出実験に向けての基本開発事項を完了させるまでを目指す。

Causes of Carryover

現在までの達成度でも記した通り、当初の研究計画では本年度中に２つの新しい手法に関する原理検証のためのプロトタイプ検出器の製作を行う予定であったが、シミュレーションスタディの結果に基づくデザインの変更の必要性が発生したため、検出器の開発に関する予算の執行を次年度に先送りする事になった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度は原理検証のためのプロトタイプ検出器の製作と、超伝導検出器の開発を主に行う。従って、次年度研究費はほぼすべてプロトタイプ検出器の製作に使用する予定である。具体的にはくらいオスタットの製作、冷却系の準備と温度をモニターするためのセンサー及び温度コントローラ等の調達、並行して超伝導検出器の製作と読み出し用のケーブルの調達に使用する。