先進技術とエキゾチック原子法の融合による超高感度反粒子宇宙線観測の推進

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01136
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 福家 英之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (10392820)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 宇宙線 / 暗黒物質 / 反粒子 / 反物質 / エキゾチック原子 / 測定器開発 / 気球実験 / 先端機能デバイス

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、国際共同研究計画GAPS（General Anti-Particle Spectrometer）を実現し、宇宙線反粒子の高感度観測によるダークマター探索を推進することである。ダークマターの解明は現在の宇宙物理学の最大の課題の一つである。未発見の宇宙線反粒子である反重陽子は、超対称性粒子ニュートラリーノなどのダークマター有力候補モデルを起源として存在する可能性があり、しかも低エネルギー領域にて二次起源の影響を殆ど受けずに単独で観測できる可能性がある。GAPSは、その反重陽子をかつてない高感度で探索・観測することを計画している。これによりGAPSは、ダークマターの多角的な研究において他実験とは相補的かつ独自の一翼を担うことができる。
平成30年度は、前年度の研究成果を踏まえ、南極周回気球飛翔観測に向けたGAPS測定器の開発を進めた。GAPS測定器の中核を担うSi(Li)型半導体検出器に関しては、前年度に開発した良質なシリコン材を用いて、良質（低リーク電流・高エネルギー分解能）かつ量産可能な検出器製造方法の開発を完了し、Si(Li)検出器の実機製作に着手した。TOFカウンタシステムに関しては光検出器の較正装置を構築した。また、Si(Li)検出器の冷却のため、OHP（自励振動ヒートパイプ）という先進的な熱工学技術を独自に発展させた冷却システムの開発を進めた。実機を模した複雑な配管設計の実寸大モデルを構築し、期待通りの性能を得られることを環境試験により確認した。冷却システムの要素技術試験として放熱板が気球の実飛翔環境下で期待通りに輻射排熱することも実証した。このほか、GEANT4シミュレーションコードの開発を進め、測定器全体や各サブシステムの詳細設計検討を進めた。
得られた成果は学会や学術論文で順次発表している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

宇宙線反粒子の高感度探索に向けたGAPS測定器の開発を計画どおりに進め、Si(Li)検出器、冷却システム、その他サブシステム、のいずれにおいても開発成果を挙げたほか、計画どおりにSi(Li)検出器の実機製作に着手した。GEANTシミュレーションコードの開発と、それによる設計最適化も進めている。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度の研究成果を踏まえ、GAPS実験実施に向けた研究開発を引き続き推進する。当初計画どおり、観測実現に向けて、GAPS測定器各構成要素の詳細設計や最適化、ならびに、実機の量産製作を進めたい。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロンビア大学/マサチューセッツ工科大学/カリフォルニア大学バークレー校(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: コロンビア大学/マサチューセッツ工科大学/カリフォルニア大学バークレー校
  • # of Other Institutions: 3
• [Int'l Joint Research] 国立核物理学研究所(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: 国立核物理学研究所
• [Journal Article] Fabrication of low-cost, large-area prototype Si(Li) detectors for the GAPS experiment (2018)
  • Author(s): Perez Kerstin、Aramaki Tsuguo、Hailey Charles J.、Carr Rachel、Erjavec Tyler、Fuke Hideyuki、Garvin Amani、Harper Cassia、Kewley Glenn、Madden Norman、Mechbal Sarah、Rogers Field、Saffold Nathan、Tajiri Gordon、Tokuda Katsuhiko、Williams Jason、Yamada Minoru
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 905 Pages: 12～21
  • DOI: 10.1016/j.nima.2018.07.024
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Meter-scale multi-loop capillary heat pipe (2018)
  • Author(s): Okazaki Shun、Fuke Hideyuki、Ogawa Hiroyuki、Miyazaki Yoshiro、Takahashi Katsumasa、Yamada Noboru
  • Journal Title: Applied Thermal Engineering Volume: 141 Pages: 20～28
  • DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.05.116
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用リチウムドリフト型シリコン検出器の開発(3) (2019)
  • Author(s): 小財正義, 福家英之, T.Erjavec, C.J.Hailey, 加藤千尋, N.Madden, 宗像一起, K.Perez, F.Rogers, N.Saffold, 清水雄輝, M.Xiao
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用ヒートパイプの熱輸送性能評価(2) (2019)
  • Author(s): 近藤愛実, 岡崎峻, 福家英之, 小川博之, 河内明子, 竹内崇人, 宮崎耀佑
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の（特に日本チームの）現状報告 (2019)
  • Author(s): 福家英之, 小財正義, 小川博之, 岡崎峻, 崎本一博, 吉田哲也, 小灘拓矢, 竹内崇人, 和田拓也, 吉田篤正, 渡邉翼, 清水雄輝, 山田昇, 小池貴久, 宗像一起, 加藤千尋, 永井大樹, 河内明子, 近藤愛実, 宮崎耀佑, 高橋俊, 井上剛良, 他 for the GAPS collaboration
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第19回)
• [Presentation] GAPS実験用の光検出器のキャリブレーションシステムの開発 (2019)
  • Author(s): 渡邉翼, 大塚壮平, 清水雄輝, 竹内崇人, 福家英之, 吉田篤正, 吉田哲也, 和田拓也
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第19回)
• [Presentation] GAPS用ヒートパイプの開発のための気液二相流解析の応用 (2019)
  • Author(s): 竹村薫, 佐藤かおり, 高橋俊, 岡崎峻, 福家英之
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第19回)
• [Presentation] Lithium-drifted Silicon Detectors for the GAPS Antarctic Balloon Program (2018)
  • Author(s): Kerstin Perez, Hideyuki Fuke, Charles J. Hailey, Chihiro Kato, Masayoshi Kozai, Norman Madden, Kazuoki Munakata, Field Rogers, Nathan Saffold, Yuki Shimizu, Katsuhiko Tokuda, Mengjiao Xiao, and Minoru Yamada
  • Organizer: CPAD Instrumentation Frontier Workshop 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Large-area Lithium-drifted Silicon Detectors for the GAPS Experiment (2018)
  • Author(s): M.Kozai, H.Fuke, M.Yamada, T.Erjavec, C.J.Hailey, C.Kato, N.Madden, K.Munakata, K.Perez, F.Rogers, N.Saffold, Y.Shimizu, K.Tokuda, and M.Xiao
  • Organizer: 2018 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の（特に日本チームの）現状報告 (2018)
  • Author(s): 福家英之, 小財正義, 小川博之, 岡崎峻, 崎本一博, 吉田哲也, 小灘拓矢, 竹内崇人, 和田拓也, 吉田篤正, 渡邉翼, 清水雄輝, 山田昇, 小池貴久, 宗像一起, 加藤千尋, 永井大樹, 河内明子, 近藤愛実, 宮崎耀佑, 高橋俊, 井上剛良, 他 for the GAPS collaboration
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (平成30年度)
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS計画に向けたラジエータ飛翔試験 (2018)
  • Author(s): 岡崎峻, 福家英之, 小財正義, 吉田哲也, 河内明子, 近藤愛実, 竹内崇人, William Craig, Evan Martinez, Florian Gahbauer, Charles Hailey
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (平成30年度)
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用リチウムドリフト型シリコン検出器の開発(2) (2018)
  • Author(s): 小財正義, 福家英之, 清水雄輝, 宗像一起, 加藤千尋, Charles J. Hailey, Kerstin Perez
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用トリガースキームの開発 (2018)
  • Author(s): 和田拓也, 小財正義, 清水雄輝, 竹内祟人, 福家英之, 蓑島温志, 吉田篤正, 吉田哲也, 渡邉翼
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用ヒートパイプの熱輸送性能評価 (2018)
  • Author(s): 近藤愛実, 岡崎峻, 福家英之, 小川博之, 河内明子, 高橋克征, 宮崎耀佑, 山田昇
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] Thermal Performance of a Large Closed Multi-Loop Heat Pipe using HFC-23 and HFC-410A as the Working Fluid (2018)
  • Author(s): Shun Okazaki, Hideyuki Fuke, Katsumasa Takahashi, Manami Kondo, Akiko Kawachi, Noboro Yamada, Hiroyuki Ogawa
  • Organizer: 19th International Heat Pipe Conference and 13th International Heat Pipe Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] GAPS
  • URL: http://gaps.isas.jaxa.jp/