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

2021 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

本研究の最終目的は、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重要課題の一つである。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の対消滅など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成分（既知の物理学起源）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。
2021年度は、それまでの研究成果を踏まえ、南極周回気球飛翔観測に向けたGAPS測定器の実機の開発を進めた。とりわけ、日本チームの担当分として、GAPS測定器の中核を担うリチウムドリフト型シリコン（Si(Li)）検出器や、Si(Li)検出器の冷却のために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て開発している冷却システムに関して、米伊の研究協力者からの支援も得ながら、開発製作を進めた。
コロナ禍の影響により観測そのものは実施できていないものの、検出器アレイのスケールモデルによる動作実証を完了するとともに、実機飛翔用および地上試験用の冷却システムの開発製作も完了した。また、観測後のデータ解析を見据え、GEANT数値シミュレーションコードに機械学習を融合した実践的な粒子識別手法の開発も進めた。
得られた成果は学会や学術論文で発表した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

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: 4
• [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] Cosmic antihelium-3 nuclei sensitivity of the GAPS experiment (2021)
  • Author(s): Saffold N.、Aramaki T.、Bird R.、Boezio M.、Boggs S.E.、Bonvicini V.、Campana D.、Craig W.W.、von Doetinchem P.、Everson E.、Fabris L.、Fuke H.、Gahbauer F.、Garcia I.、Gerrity C.、Hailey C.J.、Hayashi T.、Kato C.、Kawachi A.、Kobayashi S.、Kozai M.、et al.
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 130 Pages: 102580_1～7
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2021.102580
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Passivation of Si(Li) detectors operated above cryogenic temperatures for space-based applications (2021)
  • Author(s): Saffold N.、Rogers F.、Xiao M.、Bhatt R.、Erjavec T.、Fuke H.、Hailey C.J.、Kozai M.、Kraych D.、Martinez E.、Melo-Carrillo C.、Perez K.、Rodriguez C.、Shimizu Y.、Smallshaw B.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 997 Pages: 165015_1～10
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.165015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal Control System to easily cool the GAPS Balloon-borne Instrument on the Ground (2022)
  • Author(s): Hideyuki Fuke, Shun Okazaki, Akiko Kawachi, Shohei Kobayashi, Masayoshi Kozai, Hiroyuki Ogawa, Masaru Saijo, Shuto Takeuchi, and Kakeru Tokunaga
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New Particle Identification Approach with Convolutional Neural Network in GAPS (2022)
  • Author(s): Yusuke Nakagami, Masahiro Yamatani, Hideyuki Fuke, Akiko Kawachi, Masayoshi Kozai, Yuki Shimizu, Tetsuya Yoshida
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GAPS実験用ヒートパイプの運用システムの開発 (2022)
  • Author(s): 小財正義, 西城大, 徳永翔, 岡崎峻, 福家英之, 河内明子, 小林聖平, 水野広基, 清水雄輝, 鈴木俊介
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の近況報告 (2022)
  • Author(s): 福家英之, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 中上裕輔, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 小松明寛, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 大山千晶, 鈴木直康, 高橋俊, C.J.Hailey, M.Boezio, 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22回)
• [Presentation] Potential and applications of large-area Si(Li) detectors developed for the GAPS project (2021)
  • Author(s): H.Fuke, Y.Shimizu, M.Kozai, F.Rogers, K.Perez, C.Hailey
  • Organizer: 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of mass-production data of the GAPS Si(Li) detectors using data-mining methods (2021)
  • Author(s): M.Kozai, K.Tokunaga, H.Fuke, T.Erjavec, C.J.Hailey, C.Kato, N.Madden, K.Munakata, K.Perez, F.Rogers, N.Saffold, Y.Shimizu, M.Xiao
  • Organizer: 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mass production of large-area lithium-drifted silicon detectors for the GAPS silicon tracker (2021)
  • Author(s): Masayoshi Kozai, Kakeru Tokunaga, Hideyuki Fuke, Tyler Erjavec, Charles J. Hailey, Chihiro Kato, Norman Madden, Kazuoki Munakata, Kerstin Perez, Field Rogers, Nathan Saffold, Yuki Shimizu, Mengjiao Xiao
  • Organizer: TIPP (International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics) 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索計画GAPSの熱制御システムの開発 (2021)
  • Author(s): 西城大, 岡崎峻, 小財正義, 河内明子, 小川博之, 福家英之
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の現状報告 (2021)
  • Author(s): 福家英之, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 中上裕輔, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 小松明寛, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 大山千晶, 鈴木直康, 高橋俊, Charles Hailey, Mirko Boezio, 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 (2021年度)
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索計画GAPSにおける深層ニューラルネットワークを用いた反粒子識別法の開発 (2021)
  • Author(s): 中上裕輔, 福家英之, 清水雄輝, 和田拓也, 河内明子, 小財正義, 山谷昌大, 吉田篤正, 吉田哲也
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Remarks] GAPS
  • URL: https://gaps.isas.jaxa.jp/