2021 Fiscal Year Final Research Report

Search for the origin of Galactic cosmic rays by observing gamma-ray de-excitation lines

Research Project

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Project/Area Number	19H01919
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research Institution	Ibaraki University
Principal Investigator	Katagiri Hideaki 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (50402764)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	村石浩北里大学, 医療衛生学部, 准教授 (00365181) 加賀谷美佳仙台高等専門学校, 総合工学科, 助教 (10783467) 榎本良治東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (80183755)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	ガンマ線 / 宇宙線 / コンプトンカメラ / シンチレーションファイバー / イメージング
Outline of Final Research Achievements	We have developed a highly-sensitive gamma-ray camera specializing in de-excitation line gamma rays with energies in the range of 2-10 MeV, capable of searching for low-energy cosmic rays. The camera is an electron-tracking Compton camera using scintillation fiber, designed by the principal investigator. We improved the previously developed small prototype camera and developed a realistic simulation model based on Geant4 simulator. By using the simulation model and environmental cosmic-ray muon data, we developed the methods of track reconstruction of charged particles and energy calibration. We also designed and developed a large prototype camera which allows us to investigate the multiple scattering events of gamma rays, and evaluated the performance of a CMOS camera used for the gamma-ray camera. We note that we applied for a patent for the method of reconstructing the energy and arrival direction of gamma rays, which was found when designing the large camera.
Free Research Field	宇宙高エネルギーガンマ線の観測による宇宙線等の高エネルギー天体現象の研究およびガンマ線検出器の開発
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究では、1GeV以下の低エネルギー宇宙線の探査が可能な2-10MeVの脱励起ガンマ線に特化した高感度ガンマ線カメラの基礎開発を行い、その有効性を実験的に検証することを目的とした。もし、本研究で開発に成功すれば宇宙線研究の核心的な問題である(a)加速粒子種、および(b)銀河系内エネルギー収支の問題に迫れる。一方、本研究で開発するカメラで感度が高く撮像することができれば、核融合や放射線治療など、原子核の反応に関連する広い分野で応用する可能性がでてくる。本研究期間内では、このようなガンマ線カメラの基本的な要素技術の開発を進めることができた。