2014 Fiscal Year Research-status Report
新手法を用いたラインガンマ線用コンプトンカメラによる宇宙暗黒物質の探索
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26610055
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
片桐 秀明 茨城大学, 理学部, 准教授 (50402764)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ガンマ線 / 暗黒物質 / コンプトンカメラ / シンチレーター / 陽電子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
511keVのラインガンマ線は、暗黒物質の対消滅時に生成される陽電子が電子と対消滅する際に発生が期待されるため、空間分布を精度よく測定することにより暗黒物質の起源に制限をかけることができると考えられる。本研究では先行研究で開発した手法を用い、シンチレーター結晶を用いた511keVのガンマ線に特化したコンプトン型の高感度ガンマ線カメラの実現可能性を検証する。点源寄与の陽電子と分離するため、角度分解能はσで1度を目指す。
このようなコンプトンカメラの実現可能性を評価するには、結晶が持つ特性をシミュレーションに入れて検出感度、角度分解能を評価する必要がある。平成26年度は、候補となる様々な結晶の特性を評価し、現実的に実現可能な角度分解能を評価した。コンプトンカメラにおける角度分解能は、ドップラーブロードニング限界と呼ばれる原理的な限界の他に様々な要素があるが、シンチレーターを用いる場合は、そのエネルギー分解能がカメラの角度分解能を支配する。特に先行研究の手法を用いるためには、結晶に吸収されるエネルギーが低い場合のエネルギー分解能が重要になるので、候補となる結晶を選定し、いくつかの形状の結晶でエネルギー分解能を評価した。光検出器としては、現状で最良のエネルギー分解能を得るために、量子効率が高く結晶の大面積を容易にカバーすることが可能なスーパーバイアルカリ光電面を持つ光電子増倍管を使用した。実験の結果、NaI(Tl)結晶が低エネルギー側でも良好なエネルギー分解能が得られた。この結果から、511keVのガンマ線に対する角度分解能を算出したところ、ガンマ線の散乱角33度（1srの視野に対応）で1.1度の角度分解能が得られることが分かった。より視野を制限すれば、1度を切る角度分解能も現時点の技術で実現可能であることが、実験的にも検証できた。
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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
コンプトンカメラの実現可能性を評価するには、結晶が持つ特性をシミュレーションに入れて検出感度、角度分解能を評価する必要がある。平成26年度は、候補となる様々な結晶の特性を評価し、現実的に実現可能な角度分解能を評価できた。この時点で、シミュレーションに必要な情報は一応得ることができているが、この評価には、シンチレーター結晶の光を読み出すために光電子増倍管を用いている。計画では低エネルギー側のエネルギー分解能をさらに向上させるため、結晶の全面から隙間なくSiPM（固体シリコン光電子増倍管）アレイで読みだすようにすることで、どこまでエネルギー分解能が改善するか試験する予定であった。現在、実験準備は進行中であるが、こちらの方はまだ結果を出すには至っていない。よって、「おおむね順調に進展している」という評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
コンプトンカメラの実現可能性を評価するには、結晶が持つ特性をシミュレーションに入れて検出感度、角度分解能を評価する必要がある。現在、シンチレーター結晶を用いたコンプトンカメラの角度分解能を支配する結晶のエネルギー分解能を、光電子増倍管による光信号の読み出しによって実験的に評価することができた。現状でも、要求していた角度分解能が原理的には達成可能であることは分かっているが、さらに、エネルギー分解能を向上させることができれば、設計の自由度が向上するだけでなく、最終的に設計可能な検出器の能力向上にインパクトが大きい。
平成27年度の計画としては、（１）結晶の全面から隙間なくSiPM（固体シリコン光電子増倍管）アレイで読みだすようにすることで、SiPMの小さい有効面積を補償するだけでなく、結晶中の反応点を特定し、各アレイの光量に応じてエネルギー補正をかけることにより、どこまでエネルギー分解能が改善するか試験する。これと並行して、（２）Geant4を用いたシミュレーションを行って、目標感度・角度分解能を達成するにはどのような設計がありうるか検討を行う。シンチレーター型の検出器は、容易に大型化が可能である反面、サイズ・重量が大きくなるので、衛星搭載型ではなく、気球搭載型の検出器を検討する。
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| Causes of Carryover |
コンプトンカメラの実現可能性を評価するには、結晶が持つ特性をシミュレーションに入れて検出感度、角度分解能を評価する必要がある。平成26年度は、候補となる様々な結晶の特性を評価し、現実的に実現可能な角度分解能を評価できた。この時点で、シミュレーションに必要な情報は一応得ることができているが、この評価には、シンチレーター結晶の光を読み出すために光電子増倍管を用いている。計画では低エネルギー側のエネルギー分解能をさらに向上させるため、結晶の全面から隙間なくSiPM（固体シリコン光電子増倍管）アレイで読みだすようにすることで、どこまでエネルギー分解能が改善するか試験する予定であった。現在は、まだ複数の種類のSiPM単体の性能を評価している途中であり、全面読み出しまで移行していないため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
SiPM（固体シリコン光電子増倍管）単体の性能の評価を速やかに終了させ、全面読み出しに必要なSiPMおよび読み出し回路等に使用したい。
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