Ultra-sensitive Observation of Cosmic-ray Antiparticles to Search for Dark Matter

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H00147
• 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): 2022-04-01 – 2027-03-31
• 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。
本研究計画の初年度は、南極周回気球飛翔観測に向けて、GAPS測定器フライトモデル（実機）の総合組立および各種試験を進めた。総合組立は、米国の研究協力者が拠点とするMITベイツ研究所やUCバークレー宇宙科学研究所にて段階的に実施した。とりわけ、日本チーム担当分として、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)）検出器トラッカの構築運用や、Si(Li)検出器トラッカの冷却のために独自開発した熱制御システムの開発運用を、米伊の研究協力者からの支援も得ながら、推進した。各種試験のうち測定器の真空環境試験は、当初NASAグレン研究センターにて実施する予定であったが、NASAの事情によりNTS社の設備を使用する計画に変更した。これに伴い一部計画を繰り越し、その結果として、真空環境試験ならびに関連する研究活動を問題なく実施することができた。
このほか、数値シミュレーションや機械学習を活用して、測定器の性能を最大限引き出す手法の開発なども進めた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究で開発するGAPS測定器の真空環境試験は米国の研究協力者と共同で米国にて実施する必要があり、2023年2月にNASAグレン研究センターにて実施する予定であった。しかし、当初の想定に反して当該機関の試験設備運転計画に変更が生じることが判明したことから、同試験を2023年6月に米国NTS社の施設にて実施する計画に変更した。これに伴い研究がやや遅れたものの、同試験ならびに関連する研究活動は無事に実施できており、研究計画は着実に進展している。

Strategy for Future Research Activity

米国での拠点をコロンビア大学ニービス研究所に移して、GAPS測定器フライトモデル（実機）の総合組立や総合試験を重ね、南極周回気球飛翔による宇宙線観測に向けた準備を進める。とりわけ、日本チーム担当分の運用に関して、実体およびリモートで適宜参加貢献し、米伊の研究協力者と共に実験計画を推進する。
また、観測データの解析への準備として、データ解析フレームワークの構築を行う。数値シミュレーションや機械学習を活用して測定器の挙動への理解を深め、測定器の性能を最大限引き出す手法を開発する。並行して、複数回実施する予定の南極実験の二回目以降を見据えて、測定器の性能を高める技術検討も進める。

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] Sensitivity of the GAPS experiment to low-energy cosmic-ray antiprotons (2023)
  • Author(s): Rogers F.、Aramaki T.、Boezio M.、Boggs S.E.、Bonvicini V.、Bridges G.、Campana D.、Craig W.W.、von Doetinchem P.、Everson E.、Fabris L.、Feldman S.、Fuke H.、Gahbauer F.、Gerrity C.、Hailey C.J.、Hayashi T.、Kawachi A.、Kozai M.、et al.
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 145 Pages: 102791_1～10
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2022.102791
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design and application of multi-loop capillary heat pipes to cool GAPS silicon detectors (2023)
  • Author(s): Fuke Hideyuki、Okazaki Shun、Kawachi Akiko、Kondo Manami、Ogawa Hiroyuki、Yamada Noboru
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1049 Pages: 168102_1～9
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Statistical investigation of the large-area Si(Li) detectors mass-produced for the GAPS experiment (2022)
  • Author(s): Kozai M.、Tokunaga K.、Fuke H.、Yamada M.、Hailey C.J.、Kato C.、Kraych D.、Law M.、Martinez E.、Munakata K.、Perez K.、Rogers F.、Saffold N.、Shimizu Y.、Tokuda K.、Xiao M.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1034 Pages: 166820_1～17
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.166820
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の現状報告 (2023)
  • Author(s): 福家英之, 水越彗太, 小川博之, 岡崎峻, 白鳥弘英, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 橋本航征, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 新垣翔太, 平井克樹, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 高橋俊, 他
  • 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23回)
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索実験GAPSにおける熱制御システムの開発 (2023)
  • Author(s): 鈴木俊介, 清水雄輝, 入江優花, 橋本航征, 福家英之, 岡崎峻, 水越彗太, 小財正義, 河内明子, 新垣翔太
  • 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23回)
• [Presentation] The GAPS Instrument: A Large Area Time of Flight and Spectrometer for Cosmic Antinuclei (2022)
  • Author(s): Riccardo Munini, GAPS Collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, D.Campana, W.W.Craig, E.Everson, L.Fabris, H.Fuke, F.Gahbauer, I.Garcia, C.Gerrity, C.J.Hailey, T.Hayashi, C.Kato, A.Kawachi, S.Kobayashi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: 44th COSPAR Scientific Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The GAPS experiment: search for dark matter signatures from cosmic-ray antinuclei (2022)
  • Author(s): Alessio Tiberio, GAPS Collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, D.Campana, W.W.Craig, E.Everson, L.Fabris, H.Fuke, F.Gahbauer, I.Garcia, C.Gerrity, C.J.Hailey, T.Hayashi, C.Kato, A.Kawachi, S.Kobayashi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: 44th COSPAR Scientific Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of control and monitoring system for the GAPS heat pipe (2022)
  • Author(s): M.Kozai, M.Saijo, K.Tokunaga, S.Okazaki, H.Fuke, A.Kawachi, Y.Shimizu
  • Organizer: 44th COSPAR Scientific Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antiparticles Identification for the GAPS Experiment (2022)
  • Author(s): Masahiro Yamatani, GAPS collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, D.Campana, W.W.Craig, E.Everson, L.Fabris, H.Fuke, F.Gahbauer, I.Garcia, C.Gerrity, C.J.Hailey, T.Hayashi, C.Kato, A.Kawachi, S.Kobayashi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: RIKEN iTHEMS Dark Matter Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Capabilities of the GAPS experiment with balloon-borne tracker and the current status (2022)
  • Author(s): Keita Mizukoshi, GAPS collaboration (T.Aramaki, M.Boezio, S.E.Boggs, V.Bonvicini, D.Campana, W.W.Craig, E.Everson, L.Fabris, H.Fuke, F.Gahbauer, I.Garcia, C.Gerrity, C.J.Hailey, T.Hayashi, C.Kato, A.Kawachi, S.Kobayashi, M.Kozai, et al.)
  • Organizer: KASHIWA Dark Matter Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 南極周回気球による宇宙線反粒子探索実験GAPSの現状報告 (2022)
  • Author(s): 清水雄輝, 入江優花, 橋本航征, 鈴木俊介, 和田拓也, 吉田篤正, 福家英之, 水越彗太, 小川博之, 岡崎峻, 白鳥弘英, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 新垣翔太, 平井克樹, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 高橋俊, 他
  • 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 (2022年度)
• [Presentation] 数値解析に基づいた細管内の気液界面が熱輸送に与える影響の調査 (2022)
  • Author(s): 平井克樹, 川本裕樹, 川俣 柊介, 奈良祥太朗, 高橋俊, 河内明子, 岡崎峻, 福家英之
  • Organizer: 第35回計算力学講演会（CMD2022）
• [Remarks] GAPS
  • URL: https://gaps.isas.jaxa.jp/