2019 Fiscal Year Annual Research Report
Directional Dark Matter Search using Super-fine Grained Nuclear Emulsion and Super-resolution Technologies
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18H03699
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
中 竜大 東邦大学, 理学部, 講師 (00608888)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
久下 謙一 千葉大学, 大学院工学研究院, 名誉教授 (10125924)
田中 雅士 早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (30545497)
吉田 斉 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (60400230)
長尾 桂子 岡山理科大学, 理学部, 講師 (90707986)
佐藤 修 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20377964)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 暗黒物質 / 超微粒子原子核乾板 / 中性子 / ナノトラッキング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、独自開発した超高分解能原子核乾板（Nano Imaging Tracker : NIT)におけるナノトラッキング技術を用いた方向感度を持つ暗黒物質探索実験の推進を目的としている。
当該年度では、イタリア・グランサッソ国立研究所（LNGS)において、地下の低バックグラウンド環境下でのデバイス独自製造を可能にするために導入したデバイス製造装置の運用を開始し、暗黒物質探索実験用検出デバイス製造に着手した。並行して、地下実験環境の整備を行い、本格的な実験展開に向けた環境構築を進めた。さらに、デバイスに記録されたナノスケールの粒子飛跡を読み出すための読み取り装置を継続してアップグレードさせることで、一台あたり年間50gの読み出しが可能（従来の20倍）となると共に、同型装置を新たに東邦大学に設置し実効的な解析能力の向上を図った。
事象解析においては、産業総合技術総合研究所において550-880keVの中性子によって疑似暗黒物質シグナルとしての反跳原子核事象の検出実験を行い、優位な信号検出が達成された。この事象について詳細な研究を進めるとともに、独自開発を進めるシミュレーションによってその性能を理解し、暗黒物質探索における検出感度をより詳細に導出することを進めた。この高度化したシミュレーションは、従来のGeant4シミュレーションでは得られない検出器特有の検出能を導出できる普遍的な検出器応答シミュレーションであり、信号ならびに背景事象効果、さらに今後の背景事象除去効果に関する定量的指標を与えるものである。また、バイプロダクトとして、暗黒物質探索実験における重要な背景事象である中性子、特に、sub-MeV領域の中性子検出を高いγ線分別能を合わせて計測可能な体制を構築した。今後、暗黒物質探索と同時並行での中性子測定を行うことを目指すとともに、液体シンチレーターとの相互比較研究も行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
グランサッソ地下研究所における実験準備状況として、研究所の安全対策規定が強化されたため、地下実験環境で進めていたデバイスの性能評価研究を一端停め、実験環境の安全対策のための工事（廃液システム、装置周辺の安全対策、空調系の強化、安全マニュアルの作成）が要求され、また、工事業者の選定等の手続きが必要となったため、イタリアでの実験活動に遅れが生じた。さらに、COVID-19の影響によって年度末から研究所が閉鎖されたため、イタリアでの実験活動の目途が立たない状況となった。一方で、日本での研究活動については、概ね順調に進んでおり、特に、中性子による、より本実験に近い環境での実験の実施が行われ、これまでイオン注入装置での評価から、より暗黒物質検出条件に近い中性子反跳事象の検出に成功し、その精密な評価が進んでいる。さらに、読み出し系のスピード向上も順調に進んでいるとともに、装置台数を増やすことによる解析能力の向上を図ることができており、背景事象の理解も進んでいる。特に、電子バックグラウンドが主要バックグラウンドになってきたことから、実験として新たなフェーズ（電子事象の除去）に進むことができるようになっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、中性子反跳事象を用いた検出性能の精密な評価をシミュレーション構築と合わせて進めている。これは、より現実的な暗黒物質探索感度を導出することにつながるため、実際の暗黒物質探索実験へと本格的に進むことが可能となっている。すでに、バックグランドランデータの読み取り＋解析は進んでおり、それらの解析を進めることで最初の暗黒物質検出としてのデータ解析を行い結果を導出する。ただし、ここでの背景事象は環境γ線が主たるものであることが、これまでの研究で明らかになってきた。そのため、今後の暗黒物質探索感度の向上に向けては、環境γ線によって生じる電子事象の除去が重要である。これは、検出器感度、つまりセンサーとして機能するAgBr(I)結晶の感度調整が鍵となる。感度調整法は、これまでさまざな手法で可能性を検討してきているが、定量的な感度設定を行うために一結晶のエネルギー閾値の導出研究を進めてきた。これらの理解は、2019年度で概ね成されており、暗黒物質信号として期待される反跳原子核（低速イオン）と電子感度に大きな違いが生じていることから、さらなるS/N向上が可能であるという指針は得られている。シミュレーションによる定量的な指標をもとにデバイス感度調整を行い電子事象の積極的な除去を行い、段階的に暗黒物質探索感度の向上を行っていく。これらの研究は日本国内で進めることが可能であり、その結果をLNGSが、COVID-19の影響から解放された段階でフィードバックを行い、本格的なLNGSでの暗黒物質探索実験へフェーズを移行していく。
エネルギー閾値の向上は暗黒物質探索感度の向上と質量パラーメータの探索領域の拡大において重要である。これは、現在、イタリアグループと共同で進めており、プラズモニクス応答を用いた超解像解析ならびに機械学習による背景事象識別研究を並行して進めていく。
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Research Products
(34 results)
