2019 Fiscal Year Annual Research Report
Search for new interaction via neutron-nano-particle scattering
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19H01927
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
嶋 達志 大阪大学, 核物理研究センター, 准教授 (10222035)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三島 賢二 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別准教授 (20392136)
吉岡 瑞樹 九州大学, 先端素粒子物理研究センター, 准教授 (20401317)
北口 雅暁 名古屋大学, 現象解析研究センター, 准教授 (90397571)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 重力 / 逆二乗則 / 余剰次元 / 中性子散乱 / ナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は数十nmの距離における重力の逆二乗則の破れを探索することである。実験手法として、ファンデルワールス力による擾乱を受けない中性子と、探索距離と同程度の大きさを持つナノ粒子標的との干渉性散乱を利用する。さらに、核力によるバックグラウンドを抑制するため、符号の異なる散乱長を持つ元素の化合物をナノ粒子標的の材料として用いる。
2019年度は天然ニッケルナノ粒子を標的として用い、大強度陽子加速器施設(J-PARC)のパルス中性子源にて散乱測定を行い、探索距離と同程度のサイズを持つ粒子を用いた場合、より厚いニッケル板と比較しても、散乱強度が飛躍的に増大することが確認された。またこの増大効果が、まさに標的粒子の実際の形状に従った干渉性散乱によって説明されることが確かめられた。
また、ニッケル化合物を素材とするナノ粒子標的の製造に着手し、走査型電子顕微鏡写真解析による作成試料の粒径分布測定の解析方法の開発をおこなった。上記の天然ニッケルナノ粒子材料に対してこの解析方法を適用し、求められた粒径分布に基づいて散乱強度の理論的予想値を決定した。その結果、理論的予想値と実験で求めた散乱強度が非常に良い一致を示すことがわかった。このことから、粒径分布測定の信頼性が確認された。
従来の実験で中性子の散乱角度分布測定の精度を制約していた散乱チェンバー（真空）と中性子検出器（大気中）の間の隔壁の影響を除去するため、真空内で動作可能な中性子検出器の開発に着手し、まず最初に大気中での動作確認が完了した。
これらの実験的研究と並行して、球形ではなく任意の形状を持つ粒子に対しても適用可能な干渉性散乱強度の理論式を開発した。その妥当性については2019年度に取得したニッケル板標的に関する測定データを用いて検証を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
応募時の研究計画のうち、2019年度に行うことを予定していた、天然ナノ粒子標的測定によるナノ粒子標的のメリットの確認、粒径分布の解析方法の開発、および任意形状の標的粒子に対する干渉性散乱強度の理論式の開発が完了し、目標がほぼすべて達成されたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は散乱長の符号の異なる元素からなる化合物を原料として用いたナノ粒子試料の製造方法を開発する。具体的にはニッケルを含む化合物のナノ結晶を作成し、試料の形状を走査型電子顕微鏡によって観察することで、適切なサイズおよび形状を持っているかどうかを確認する。これらのテストを多数回繰り返し、最終的に実用化する。
この試料と2019年度に開発した中性子検出器を用い、核力の影響を低減した状態での中性子小角散乱の試験測定をJ-PARCにて行う。
また、同じ試料について、あいちシンクロトロン光センターにおいてX線小角散乱測定を行い、ナノ粒子内の結晶構造に関する情報を取得する。その情報に基づき、2019年度に開発した理論式を適用して散乱強度の予想値の計算を行う。その計算結果と上記の測定結果を比較し、実験方法および理論計算の妥当性を確認する。
なお、新型コロナウィルスの影響等でJ-PARCおよびあいちシンクロトロン光センターでの実験が困難な場合は、大阪大学産業科学研究所の電子顕微鏡を用いて電子散乱測定を行い、座標空間で決定された結晶構造から、理論計算を用いて運動量空間で表現された散乱強度分布を求める。
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