エキゾチック原子法を用いた宇宙観測およびその応用による新機軸

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 19H05198
• 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 検出器 / X線 / 宇宙線 / 粒子計測技術 / 数値シミュレーション / エキゾチック原子 / 高性能化 / 応用検討

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、エキゾチック原子のカスケード崩壊や対消滅に伴い放出される特性エックス線と荷電粒子群を測定・検出してエキゾチック原子種を同定する「エキゾチック原子法」の高度化を推進し本研究領域内の新機軸を探究することである。エキゾチック原子法の中核は中央検出器アレイが担う。検出器アレイは、入射反原子核に対する減速材とエキゾチック原子形成ターゲット、および、エックス線や荷電粒子飛跡の検出の役割を兼ねる。
本研究では、検出器に求められる高いエネルギー分解能・空間分解能や適度な物質量を比較的容易に実現できる検出器として、リチウムドリフト型シリコン（Si(Li)）検出器を採用した。そして、Si(Li)検出器の開発・高性能化のため、Si(Li)検出器の評価モデルを構築・確認し、広い温度範囲での特性評価などの各種試験を通じてSi(Li)検出器の高性能化に向けた基盤的データを取得した。
次に、Si(Li)検出器を他分野にも活用することを目指し、GEANT数値シミュレーションにより、放射線医療や宇宙ガンマ線観測への応用検討を行い、それらの成立性を確認した。
また、エキゾチック原子法の初の応用例として、宇宙線反原子核観測計画であるGAPS（General Anti-Particle Spectrometer）実験の測定器構成を念頭に、大規模Si(Li)検出器アレイの温度を比較的簡便に制御し検出器アレイを一括で校正できる試験システムを開発した。GEANT数値シミュレーションによる検出器アレイの設計最適化検討も進め、機械学習との融合によって反粒子識別能力を増強させたデータ解析ツールの開発も行った。
これらにより得られた成果は学会や学術論文として発表した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

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(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
• [Journal Article] Passivation of Si(Li) detectors operated above cryogenic temperatures for space-based applications (2021)
  • Author(s): Saffold N.、Rogers F.、Xiao M.、Bhatt R.、Erjavec T.、Fuke H.、Hailey C.J.、Kozai M.、Kraych D.、Martinez E.、Melo-Carrillo C.、Perez K.、Rodriguez C.、Shimizu Y.、Smallshaw B.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 997 Pages: 165015_1～10
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.165015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmic antihelium-3 nuclei sensitivity of the GAPS experiment (2021)
  • Author(s): Saffold N.、Aramaki T.、Bird R.、Boezio M.、Boggs S.E.、Bonvicini V.、Campana D.、Craig W.W.、von Doetinchem P.、Everson E.、Fabris L.、Fuke H.、Gahbauer F.、Garcia I.、Gerrity C.、Hailey C.J.、Hayashi T.、Kato C.、Kawachi A.、Kobayashi S.、Kozai M.、Lenni A.、et al. (the GAPS collaboration)
  • Journal Title: Astroparticle Physics Volume: 130 Pages: 102580_1～7
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2021.102580
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmic-ray antinuclei as messengers of new physics: status and outlook for the new decade (2020)
  • Author(s): Doetinchem P. von、Perez K.、Aramaki T.、Baker S.、Barwick S.、Bird R.、Boezio M.、Boggs S.E.、Cui M.、Datta A.、Donato F.、Evoli C.、Fabris L.、Fabbietti L.、Bueno E. Ferronato、Fornengo N.、Fuke H.、Gerrity C.、Coral D. Gomez、Hailey C.、Hooper D.、Kachelriess M.、Korsmeier M.、Kozai M.、et al.
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Pages: 035_0～39
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/08/035
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Application of Machine Learning to the Particle Identification of GAPS (2020)
  • Author(s): WADA Takuya、FUKE Hideyuki、SHIMIZU Yuki、YOSHIDA Tetsuya
  • Journal Title: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN Volume: 18 Pages: 44～50
  • DOI: 10.2322/tastj.18.44
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Thermal Control System to easily cool GAPS Balloon-borne Instrument on the Ground (2022)
  • Author(s): Hideyuki FUKE, Shun OKAZAKI, Akiko KAWACHI, Shohei KOBAYASHI, Masayoshi KOZAI, Hiroyuki OGAWA, Masaru SAIJO, Shuto TAKEUCHI, and Kakeru TOKUNAGA
  • Organizer: 33rd ISTS (International Symposium on Space Technology and Science)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New Particle Identification Approach with Convolutional Neural Network in GAPS (2022)
  • Author(s): Yusuke NAKAGAMI, Masahiro YAMATANI, Hideyuki FUKE, Akiko KAWACHI, Masayoshi KOZAI, Yuki SHIMIZU, and Tetsuya YOSHIDA
  • Organizer: 33rd ISTS (International Symposium on Space Technology and Science)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の近況報告 (2022)
  • Author(s): 福家英之, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 中上裕輔, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 小松明寛, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 大山千晶, 鈴木直康, 高橋俊, C.J.Hailey, M.Boezio, for the GAPS collaboration
  • 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22回)
• [Presentation] Potential and applications of large-area Si(Li) detectors developed for the GAPS project (2021)
  • Author(s): H.Fuke, Y.Shimizu, M.Kozai, F.Rogers, K.Perez, and C.J.Hailey
  • Organizer: 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of mass-production data of the GAPS Si(Li) detectors using data-mining methods (2021)
  • Author(s): M.Kozai, K.Tokunaga, H.Fuke, T.Erjavec, C.J.Hailey, C.Kato, N.Madden, K.Munakata, K.Perez, F.Rogers, N.Saffold, Y.Shimizu, and M.Xiao
  • Organizer: 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mass production of large-area lithium-drifted silicon detectors for the GAPS silicon tracker (2021)
  • Author(s): Masayoshi Kozai, Kakeru Tokunaga, Hideyuki Fuke, Tyler Erjavec, Charles J. Hailey, Chihiro Kato, Norman Madden, Kazuoki Munakata, Kerstin Perez, Field Rogers, Nathan Saffold, Yuki Shimizu, Mengjiao Xiao
  • Organizer: TIPP (International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics) 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索計画GAPSの熱制御システムの開発 (2021)
  • Author(s): 西城大, 岡崎峻, 小財正義, 河内明子, 小川博之, 福家英之
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 宇宙線反粒子探索GAPS実験計画の現状報告 (2021)
  • Author(s): 福家英之, 小川博之, 岡崎峻, 西城大, 徳永翔, 山谷昌大, 吉田哲也, 中上裕輔, 和田拓也, 吉田篤正, 入江優花, 小松明寛, 清水雄輝, 鈴木俊介, 小財正義, 加藤千尋, 宗像一起, 河内明子, 川俣柊介, 川本裕樹, 奈良祥太朗, 大山千晶, 鈴木直康, 高橋俊, Charles Hailey, Mirko Boezio, for the GAPS collaboration
  • 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 (2021年度)
• [Presentation] 宇宙線反粒子識別を対象とした機械学習の応用と根拠の可視化 (2021)
  • Author(s): 今福拓海, 石川博, 山本幸生, 荒木徹也, 福家英之, 清水雄輝, 和田拓也, 中上裕輔
  • Organizer: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学情報解析シンポジウム (2020年度)
• [Presentation] Detailed Characterization of Novel Si(Li) Detectors for the GAPS Experiment (2020)
  • Author(s): Nishat F. Protyasha, Devin Seyler, Gabriel Bridges, Hideyuki Fuke, Amani Garvin, Charles J. Hailey, Cassia Harper, Kanav Kalucha, Masayoshi Kozai, Kerstin Perez, Field Rogers, Nathan Saffold, Yuki Shimizu, Brian Smallshaw, and Mengjiao Xiao
  • Organizer: 2020 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Passivation of Si(Li) Detectors operated above Cryogenic Temperatures for Space Applications (2020)
  • Author(s): Nathan Saffold, Charles J. Hailey, Evan Martinez, Field Rogers, Hideyuki Fuke, Kerstin Perez, Masayoshi Kozai, Mengjiao Xiao, Radhika Bhatt, Tyler Erjavec, and Yuki Shimizu
  • Organizer: 2020 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] エキゾチック原子法を用いた宇宙観測およびその応用による新機軸 (2020)
  • Author(s): 福家英之
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋」領域研究会
• [Remarks] GAPS
  • URL: https://gaps.isas.jaxa.jp/