Study of a high-performance silicon detector with large sensitive area to search for cosmic-ray antiparticles

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K14313
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 小財 正義 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, 宇宙航空プロジェクト研究員 (60781739)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: シリコン検出器 / リチウムドリフト型シリコン / 大口径センサ / 反粒子 / 宇宙線 / 暗黒物質

Outline of Annual Research Achievements

南極周回気球による宇宙線反粒子探索実験GAPS（General Anti-Particle Spectrometer）へ向けて、新型シリコン検出器を開発した。
宇宙線中にわずかに含まれる反原子核成分、特に低エネルギー反重陽子は暗黒物質のバックグラウンドフリーな探索プローブとして注目されている。GAPSではエキゾチック原子を利用した先進的センシング技術により、低エネルギー反原子核の超高感度観測を実現する。
GAPSはシリコン検出器アレイとそれを取り囲むトリガーカウンタ（プラスチックシンチレータ）で構成される。宇宙線反粒子はシリコン検出器アレイで減速・捕捉され、シリコン原子核等と結合してエキゾチック原子を形成する。その崩壊により放出される特性X線・パイ粒子等を検出することで、膨大な宇宙線原子核成分から反原子核イベントを選別し、反原子核種を識別することができる。
GAPSの核心とも言えるシリコン検出器には、厚い有感領域と大口径、高良品率での量産が要求される。冷却システムの消費電力を抑えるため、比較的高温な環境での高いエネルギー分解能も要求される。
本研究では前年度までに、直径10 cm、厚み2.5 mm（有感層90%以上）、使用温度約-40℃というX線検出器としてはこれまでに無い大型かつ高温使用可能な検出器の開発に成功した。エネルギー分解能は60 keV X線に対して-35℃でFWHM 4 keV以下の精度を達成した。
本年度は量産品の自動評価システムを整備し、製造法にもさらに改良を加え、良品率90%以上での1,000個以上の量産に成功した。特性評価によるノイズ要因の解析や実装モジュール、冷却システムの開発なども進めた。以上により有感層約2.5 mm、総検出面積約10 m^2という大規模なシリコン検出器アレイが可能となり、GAPSによる反粒子超高感度観測の実現へ大きく前進した。

Research Products

• [Journal Article] The GAPS experiment - a search for cosmic-ray antinuclei from dark matter (2020)
  • Author(s): M. Kozai for the GAPS collaboration
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1468 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012049
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-area Si(Li) detectors for X-ray spectrometry and particle tracking in the GAPS experiment (2019)
  • Author(s): F. Rogers, M. Xiao, K.M. Perez, S. Boggs, T. Erjavec, L. Fabris, H. Fuke, C.J. Hailey, M. Kozai, A. Lowell, N. Madden, M. Manghisoni, S. McBride, V. Re, E. Riceputi, N. Saffold and Y. Shimizu
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 14 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1088/1748-0221/14/10/P10009
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Developing a mass-production model of large-area Si(Li) detectors with high operating temperatures (2019)
  • Author(s): M. Kozai, H. Fuke, M. Yamada, K. Perez, T. Erjavec, C.J. Hailey, N. Madden, F. Rogers, N. Saffold, D. Seyler, Y. Shimizu, K. Tokuda, M. Xiao
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A Volume: 947 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162695
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験の現状報告 - 日本チームの進捗を中心として - (2020)
  • Author(s): 小財正義 他
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] The GAPS experiment - a search for cosmic-ray antinuclei from dark matter (2019)
  • Author(s): M. Kozai for the GAPS collaboration
  • Organizer: The 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • Int'l Joint Research
• [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(2019年度-1) (2019)
  • Author(s): 小財正義, 岡崎峻, 福家英之, 吉田哲也, 西城大, 河内明子, 近藤愛美, 竹内崇人, E. Martinez, N. Saffold, F. Gahbauer, C. Hailey, W. Craig, J. Olson
  • Organizer: 2019年度大気球シンポジウム