2019 Fiscal Year Research-status Report
ニュートリノ崩壊光子検出器較正用超低エネルギー光子パルス照射システムの開発
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16K05375
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
吉田 拓生 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (30220651)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 物理学 / 素粒子実験 / 遠赤外線 / レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、ニュートリノに質量があることが確定し、質量の大きいニュートリノが10～25 meV（波長50～90μm）程度の遠赤外線領域の低エネルギー光子を放出することによって質量の小さいニュートリノに崩壊することが理論的に予言されており、そのような光子を探索するための検出器開発が推進されている。本研究の目的は、福井大学の「遠赤外分子レーザー装置」を用いて、そのような検出器を較正するための「超低エネルギー光子パルス照射システム」を開発すること、そして、その照射システムを実際にニュートリノ崩壊光子検出器開発のために利用することである。目的達成に向けて、今年度は主として以下の二つの課題に取り組んだ。
①ニュートリノ崩壊光子検出器の中で遠赤外線を分光するために用いる回折格子を新たに設計・製作し、本研究で開発した光子照射システムを用いて回折角や回折効率を測定するなど、性能評価を行った。その結果、この回折格子には、設計時の目標どおり、分光の際に有用となる1次光の回折効率が高く、一方、分光の邪魔になる0次光や2次光などは十分抑制されるという特性があることが確認され、昨年度まで採用する予定にしていた市販の回折格子よりも優れていることが分かった。
②ニュートリノ崩壊光子検出器の入射窓には、遠赤外線に対する透過率が高いことに加え、真空容器の蓋としての強度も要求される。このような要件を満たす入射窓材として、CVDダイヤモンドに着目し、本研究で開発した光子照射システムを用いて、CVDダイヤモンド窓の透過率の測定などを行った。今回得られた測定結果を一般によく用いられる高抵抗シリコン窓と比較したところ、CVDダイヤモンド窓を用いることによって、透過率は高抵抗シリコン窓の3倍、機械的強度は4倍まで向上することが判明した。
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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
本研究では、これまで当初の研究計画どおり、遠赤外分子レーザーの稼働、発振線の確認、その基本特性の測定、連続波のパルス波への変換、その光子パルスを検出器まで伝送するための導波管の開発、この光子パルスを用いて検出器の較正や性能評価を行うときに必要となるトリガー信号の作製、などを順調に遂行してきた。さらに、昨年度から今年度にかけては、当初の計画を超え、ニュートリノ崩壊光子検出器の中でニュートリノ崩壊光子を分光するために必要となる「分光器」の開発のためにも貢献することができた。
以上のような状況を総合して、「本研究は、おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ニュートリノ崩壊光子検出器は、入射窓から入った遠赤外領域の光子を回折格子で分光し、波長によって異なる位置に集光することができるようになった分光器の部分と、集光された光子を検出し、その集光位置から波長を求めることができるようになったピクセル状の高感度な受光素子（超伝導トンネル接合素子）とで構成されている。これまで本研究では、上記「現在までの進捗状況」の節で述べたような課題に取り組んできた。
今後、まず取り組む課題は、遠赤外線用の光減衰器（attenuator）の準備である。本研究で開発する光子パルス照射システムを用いて較正しようとしている光子検出器は、ニュートリノの崩壊に伴って1個だけ放出される光子を確実に検出する必要があるため、その較正を行う際には、適当な光減衰器を用いて1パルス中に含まれる光子の数を平均1～数個程度になるように制御する必要がある。次年度は、このような光減衰器の開発に取り組む。更に、ニュートリノ崩壊光子検出器には、我々の観測したい波長領域の光子だけを通過させ、それ以外の光子を極力排除するバンドパスフィルターの役割を果たす光学窓も必要となるため、そのようなバンドパスフィルターの開発も行う。以上の課題と並行して、本研究で用いる遠赤外分子レーザーの発振出力やビーム形状の時間変動をリアルタイムでモニターできるような装置の開発も行いたい。これは、これまでこのレーザー装置を用いて実験を行う際、その発振出力やビーム形状を把握するのに時間がかかり、不便であったからである。
また、ニュートリノ崩壊光子検出器の中で用いる分光器の開発についても、回折格子で分光した光子を直径60μm程度の受光面に集光させるためのウインストンコーンの性能評価や、受光面の表面に取り付ける反射防止膜の開発などに、本研究で開発した光子照射システムを活用したい。
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[Journal Article] Development of Superconducting Tunnel Junction Far-Infrared Photon Detector for Cosmic Background Neutrino Decay Search - COBAND Experiment2019
Author(s)
S.H. Kim, Y. Takeuchi, T. IIda, K. Takemasa, C. Asano, S. Matsuura, T. Yoshida, T. Nakamura, M. Sakai, W. Nishimura, S.B. Kim et al.
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Journal Title
Proceedings of Science (ICHEP2018)
Volume: 427
Pages: 1 - 3
Int'l Joint Research
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[Journal Article] 宇宙背景ニュートリノ崩壊探索 COBAND実験2019
Author(s)
金 信弘, 武内勇司, 飯田崇史, 松浦周二, 吉田拓生, 坂井 誠, 中村昂弘, 西村 航, Erik Ramberg, Soo-Bong Kim, 他
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Journal Title
観測ロケットシンポジウム2019講演集(JAXA/ISAS)
Volume: SA6000142006
Pages: 1 - 7
Int'l Joint Research
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[Presentation] COBAND実験のための光学系設計Ⅲ2020
Author(s)
前川群, 金信弘, 武内勇司, 飯田崇史, 浅野千紗, 笠島誠嘉, 中原瑳衣子, 山根綾太, 吉田拓生, 鈴木健吾, 浅胡武志, 竹下勉, 古屋岳, 木村碧海, 若林凛, 松浦周二, 橋本遼, 岡島茂樹, 中山和也
Organizer
日本物理学会第75回年次大会
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[Presentation] 宇宙背景ニュートリノ崩壊探索 COBAND実験2019
Author(s)
金 信弘, 武内勇司, 飯田崇史, 松浦周二, 吉田拓生, 坂井 誠, 中村昂弘, 西村 航, Erik Ramberg, Soo-Bong Kim, 他
Organizer
第2回観測ロケットシンポジウム(JAXA/ISAS)
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[Presentation] COBAND実験のためのSTJ検出器性能評価用遠赤外レーザービームのリアルタイムプロファイルモニター2019
Author(s)
竹下勉, 鈴木健吾, 浅胡武志, 木村碧海, 若林凜, 吉田拓生, 岡島茂樹, 中山和也, 金信弘, 武内勇司, 飯田崇史, 浅野千紗, 笠島誠嘉, 古屋岳
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 宇宙背景ニュートリノ崩壊光子探索実験のためのSTJ検出器性能評価用パルス光源の開発2019
Author(s)
浅胡武志, 鈴木健吾, 竹下勉, 木村碧海, 若林凜, 吉田拓生, 岡島茂樹, 中山和也, 古屋 岳, 金信弘, 武内勇司, 飯田崇史
Organizer
2019年度日本物理学会北陸支部 定例学術講演会
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[Presentation] ニュートリノ崩壊光子検出器較正用光学系の設計と評価2019
Author(s)
若林凜, 鈴木健吾, 浅胡武志, 竹下 勉, 木村碧海, 吉田拓生, 岡島茂樹, 中山和也, 古屋 岳, 金 信弘, 武内勇司, 飯田崇史
Organizer
2019年度日本物理学会北陸支部 定例学術講演会
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