2021 Fiscal Year Annual Research Report
Axion search experiments from ground and space with new X-ray pixel detectors
Publicly Offered Research
| Project Area | What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter |
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| Project/Area Number |
21H05461
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
鶴 剛 京都大学, 理学研究科, 教授 (10243007)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2023-03-31
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| Keywords | アクシオン / 暗黒物質 / SOIPIX / Ｘ線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年6月，XENON1T実験より太陽アクシオン起源と解釈可能な信号が初めて得られた．アクシオン以外の可能性も残るが，アクシオン起源であった場合には，電子，光子，原子核それぞれとの相互作用の混合と解釈される．アクシオンの背後の物理を探るには，相互作用ごとに特化した測定が喫緊である．そこで独自の「イベント駆動型X線SOIPIX」を用いる２つの実験，テーブルトップ型の「ISAI実験」と次世代硬X線衛星FORCEによる「ALPINE観測」を開始する．それぞれの実験は原子核または光子との相互作用に特化しており，混合の不定性が無い．ISAI実験で従来を超える感度でアクシオンを探索し，アクシオンの質量や原子核との相互作用の強さに対し，過去最高の制限をつける．さらにISAI実験で得た知見から，衛星搭載用SOIPIXの高性能化を行い，FORCE衛星とALPINE観測の実現性を高める．今年度は，ISAI実験システム構築として，下記を行った．(1) 本研究開始前までに行っていた全体の構成の検討をさらに進め，それぞれのコンポーネントの間のインターフェースを決定した．(2) SOIPIXを低温動作させ暗電流を抑えるため，恒温槽を京都大に導入した（東大の共同研究者の小貫氏より借用）．(3) アクシオンの標的となるFe-57を導入した．(4) 4素子のイベント駆動型X線SOIPIXと，アクティブシールドのアンチコインシデンスのとり方を検討した．(5) (4)に基づきSOIPIXの読み出しシステムを検討し，必要な読み出し回路基板の導入を行った．(6) アクティブシールドの部材の製造を行い，組み立て方式の検討を行った．
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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
本研究のISAI実験で使用する重要なコンポーネントは「イベント駆動型X線SOIPIX」「アクティブシールド（シンチレータ）」「パッシブシールド（鉛，無酸素銅）」「恒温槽」である．全体的な構成は，本研究開始前に検討済みであった．本予算の採択による研究開始を受け，今年度はその検討を進め，実際に設計する段階に到達した．今年度はそれぞれにコンポーネント間のインターフェースを検討し，その決定に従って，次年度にコンポーネントごとに独立して準備を行うという方針をとった．「イベント駆動型X線SOIPIX」と「アクティブシールド」はそれぞれ独立した開発であったが，その両者からのデータをどのように収集し，コインシデンスを取るかを決定した．これを受けて，それぞれの具体的な読み出し方も決定した．「アクティブシールド（シンチレータ）」「パッシブシールド（鉛，無酸素銅）」の配置の再検討も行った．また，Fe-57は高価でありリードタイムも長くかかる可能性があったが，順調に入手することができた（入手には他の予算を利用）．それぞれにコンポーネントのインターフェースの検討はほぼ終了することができたため，概ね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の検討を受け，次年度の前半はコンポーネント毎の準備を進める．半導体不足の状況もあり，読み出し回路を準備できるかの懸念があったが，新規の読み出し回路開発を最小限にすることができたので，順調に準備が進むと予測している．それを組み合わせ，年度後半には試験観測を開始したいと考えている．現在の計画では，イベント駆動型X線SOIPIXとして，過去に開発した素子(XRPIX7)を使用する予定である．並行して，別の予算で新たに高い性能を持つ素子を開発している．この開発の進展次第では，どこかの時点でXRPIX7から新素子に切り替えることも検討したいと考えている．
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