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2022 Fiscal Year Research-status Report

Elucidating the origin of heavy elements by a space-based gamma-ray detector using liquid argon

Research Project

Project/Area Number 22K18277
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

小高 裕和  大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (50610820)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 一戸 悠人  立教大学, 理学部, 助教 (30792519)
井上 芳幸  大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70733989)
Project Period (FY) 2022-06-30 – 2028-03-31
KeywordsMeVガンマ線 / 重元素合成 / コンプトン望遠鏡 / 連星中性子星合体
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、超新星や連星中性子星合体などの重元素合成の有力候補サイトからの微弱な核ガンマ線を捉えることができる高感度ガンマ線望遠鏡を開発することである。そのために、液体アルゴンを検出器媒体に用いた新しい概念に基づくガンマ線コンプトン望遠鏡を、素粒子物理実験で実用化された技術を基盤として構築し、さらにそれを人工衛星に搭載する技術の開発を目指している。
2022年度は、世界初の液体アルゴンを利用したコンプトン望遠鏡の実証機の開発を目指して、地上試験用の液体アルゴンクライオスタットの設計と液体アルゴン中に沈めるコンプトン望遠鏡の設計、その主要コンポーネントの試作を行った。コンプトン望遠鏡におけるガンマ線の検出情報は励起したアルゴンのシンチレーション光およびアルゴンから電離した電子の読み出しによって得られる。シンチレーション光検出器として光電子増倍管とSiPM検出器を想定し、読み出しアンプおよびデータ処理システムの開発を行った。電離電子の高精度測定のために、陽極分割電極や読み出しアンプ基板の試作を実施した。
コンプトン望遠鏡実証機の開発と並行して、サイエンス観測計画の立案のための全天シミュレーションモデルを構築している。このモデルを用いてMeVガンマ線天文学の重要ターゲットとなりうるMeVガンマ線銀河面放射についての研究を進め、COMPTEL超過と呼ばれる放射成分の起源について議論した。また、液体アルゴン検出器を飛翔体搭載へと対応させるため、JAXA国内気球実験の準備を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究は世界初の液体アルゴンを用いた大面積ガンマ線検出器の実現という挑戦的なテーマに取り組んでいる。そのために必要な開発項目を整理し、現在はその第一歩となる次の3つの課題を進めてきた:(1) 小型かつ高性能のコンプトン望遠鏡実証機の設計、(2) 最小構成のアルゴン検出器気球搭載試験、(3) 全天MeVガンマ線放射モデルに基づくサイエンス計画の立案。(1)について、概ね予定通り、全体設計を完了し、一部のコンポーネントについては試作を進めることができた。(2) についてはJAXA国内気球実験に採択され、準備を進めることができ、当初計画よりも進展していると言える。(3) についてもサイエンスの計画立案のためのシミュレーションモデルの構築を進めており、概ね順調だと言える。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は計画2年目であり、1年目の課題項目を継続する。全て順調に進展しているので、研究の方策に変化はない。地上実証のためのコンプトン望遠鏡の製作およびアルゴン検出器の飛翔体対応に向けたJAXA国内気球実験については、整備投資や装置の製作費用の支出が大きくなり、計画の遅れ等に繋がりかねないので、予算の効率的な執行に努めたい。

Causes of Carryover

研究代表者が東京大学から大阪大学に異動し、研究計画および予算執行に遅延が生じた、もしくは遅延が発生する可能性があったため、一部研究計画を次年度に移行した。異動先での研究は立ち上がっており、次年度すみやかに執行可能である。

  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (12 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] コロンビア大学/ノースイースタン大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      コロンビア大学/ノースイースタン大学
  • [Int'l Joint Research] ダラム大学(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      ダラム大学
  • [Journal Article] Strong lensing of high-energy neutrinos2023

    • Author(s)
      Taak Yoon Chan、Treu Tommaso、Inoue Yoshiyuki、Kusenko Alexander
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 107 Pages: 023011

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.107.023011

  • [Journal Article] MeV Gamma-Ray Source Contribution to the Inner Galactic Diffuse Emission2023

    • Author(s)
      Tsuji Naomi、Inoue Yoshiyuki、Yoneda Hiroki、Mukherjee Reshmi、Odaka Hirokazu
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 943 Pages: 48~48

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acab69

  • [Journal Article] Reconstruction of multiple Compton scattering events in MeV gamma-ray Compton telescopes towards GRAMS: The physics-based probabilistic model2023

    • Author(s)
      Yoneda Hiroki、Odaka Hirokazu、Ichinohe Yuto、Takashima Satoshi、他
    • Journal Title

      Astroparticle Physics

      Volume: 144 Pages: 102765~102765

    • DOI

      10.1016/j.astropartphys.2022.102765

  • [Journal Article] Orbital- and Spin-phase Variability in the X-Ray Emission from the Accreting Pulsar Centaurus X-32023

    • Author(s)
      Tamba Tsubasa、Odaka Hirokazu、Tanimoto Atsushi、Suzuki Hiromasa、Takashima Satoshi、Bamba Aya
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 944 Pages: 9~9

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acadde

  • [Journal Article] Strong Polarization of a Transition Arising from Unexpectedly Large Quantum Interference2023

    • Author(s)
      Nakamura Nobuyuki、Numadate Naoki、Oishi Simpei、Tong Xiao-Min、Gao Xiang、Kato Daiji、Odaka Hirokazu、Takahashi Tadayuki、Tsuzuki Yutaka、Uchida Yuusuke、Watanabe Hirofumi、Watanabe Shin、Yoneda Hiroki
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 130 Pages: 113001

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.130.113001

  • [Journal Article] Impacts of Jets and winds from primordial black holes2022

    • Author(s)
      Takhistov Volodymyr、Lu Philip、Murase Kohta、Inoue Yoshiyuki、Gelmini Graciela B
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      Volume: 517 Pages: L1~L4

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slac097

  • [Journal Article] Spatially resolved study of the SS?433/W?50 west region with Chandra: X-ray structure and spectral variation of non-thermal emission2022

    • Author(s)
      Kayama Kazuho、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Tsuru Takeshi Go、Sudoh Takahiro、Inoue Yoshiyuki、Khangulyan Dmitry、Tsuji Naomi、Yamamoto Hiroaki
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 74 Pages: 1143~1156

    • DOI

      10.1093/pasj/psac060

  • [Journal Article] Event reconstruction of Compton telescopes using a multi-task neural network2022

    • Author(s)
      Takashima Satoshi、Odaka Hirokazu、Yoneda Hiroki、Ichinohe Yuto、Bamba Aya、Aramaki Tsuguo、Inoue Yoshiyuki
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1038 Pages: 166897~166897

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.166897

  • [Journal Article] ALMA Detection of Parsec-scale Blobs at the Head of a Kiloparsec-scale Jet in the Nearby Seyfert Galaxy NGC 10682022

    • Author(s)
      Michiyama Tomonari、Inoue Yoshiyuki、Doi Akihiro、Khangulyan Dmitry
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Letters

      Volume: 936 Pages: L1~L1

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ac8935

  • [Journal Article] High-energy Emission Component, Population, and Contribution to the Extragalactic Gamma-Ray Background of Gamma-Ray-emitting Radio Galaxies2022

    • Author(s)
      Fukazawa Yasushi、Matake Hiroto、Kayanoki Taishu、Inoue Yoshiyuki、Finke Justin
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 931 Pages: 138~138

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac6acb

  • [Journal Article] Suzaku and Chandra study of diffuse X-ray emission from the massive star-forming region RCW?382022

    • Author(s)
      Fukushima Aoto、Ezoe Yuichiro、Odaka Hirokazu
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 75 Pages: 187~198

    • DOI

      10.1093/pasj/psac100

  • [Journal Article] On the Formation of Over-ionized Plasma in Evolved Supernova Remnants2022

    • Author(s)
      Katsuragawa Miho、Lee Shiu-Hang、Odaka Hirokazu、Bamba Aya、Matsumura Hideaki、Takahashi Tadayuki
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 938 Pages: 23~23

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac8cf9

  • [Presentation] X-ray Imaging Polarimetry using a Fine Pixel CMOS Imager2022

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      NDIP20 (Conference on New Development in Photodetection)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Unveiling accretion disc winds from supermassive black holes with Monte Carlo X-ray radiative transfer modeling2022

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      What Drives the Growth of Black Holes?
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] X-ray Polarimetry for Astrophysics with CMOS imaging sensors2022

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      Pixel22 (10th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GRAMS実験 9: ステータス報告2022

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季年会
  • [Presentation] A new concept of a large-area MeV gamma-ray Compton telescope using liquid argon \& the GRAMS project2022

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      Ukakuren-RNCP Conference on Astronuclear Physics (ANP2022)
  • [Presentation] FF-LAGRAN: Formation Flying が 実現する高分解能・高感度の宇宙 MeV ガンマ線観測2022

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      第 66 回宇宙科学技術連合講演会
  • [Presentation] MeV ガンマ線の高感度観測への挑戦とその展望2022

    • Author(s)
      小高裕和
    • Organizer
      2040 年代のスペース天文学研究会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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