Solar axion search with new ultra-low background pixel detector

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
• Project/Area Number: 22H04572
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鶴 剛 京都大学, 理学研究科, 教授 (10243007)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: アクシオン / 暗黒物質 / SOIPIX / Ｘ線

Outline of Annual Research Achievements

2020年6月に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，３種類の相互作用（電子，光子，原子核との相互作用）の混合と解釈される．アクシオンの性質を詳しく調べ，背後の物理を明らかにするためには，相互作用ごとに特化した測定が喫緊である．これを受け，アクシオンと原子核の相互作用のみに特化して検証するために，今年度から開始する科研費を2つ得てISAI実験を立ち上げた．研究代表者独自のイベント駆動型X線ピクセル検出器「SOIPIX」と原子番号57の鉄同位体を使い，太陽アクシオン探査を実施する．今年度は，2023年度から開始するISAIコミッショニングの準備およびパスファインダー実験を行った．(1)大型素子XRPIX7を低バックグラウンドのリジッドフレキボードに組み立てた．読み出しシステムを準備し，最適な動作パラメーターの抽出を行った．(2) 無酸素銅や鉄箔ホルダの製作を行い，カメラを構成する部材がほぼ揃った．(3)XRPIXの準備と並行して，Si-PINホトダイオードを用いたパスファインダ実験を行い，カメラ位置でのバックグラウンドを測定した．(4)東大アイソトープセンターのGe検出器を用いて，リジッドフレキボードの残留バックグラウンドの測定を開始した．(5) デジタルXRPIXの開発を進めた，デジタルXRPIXを構成するコンポーネントのうち，ADC TEGについては動作確認を行い，正常にAD変化できることを確認した．またDAC, BGRについてはTEGの試作を行った．

Current Status of Research Progress

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

Reason

先行する２つの科研費で行った準備を引き継ぎ，実際に観測に用いる大型素子の組み立てを行うことができた．また，カメラを構成する部品も順調に製作が進んだ．別の科研費で開始したアンチカウンタの製造も順調である．パスファインダ実験も順調に進展し，バックグラウンド環境の測定も行うことができた．以上から2023年度で行う，コミッショニングと初期観測に向けての準備は順調である．また，デジタルXRPIXの開発についても，ADCの動作確認を行うことができ，DACやBGRのTEGの試作，パターン発生部のHDLでのコーディングも順調である．したがって概ね順調と判断した．

Strategy for Future Research Activity

2023年度に行う観測には4つのXRPIX7素子を使用する予定である．2022年度に1つ製造を行ったので，残りの3つの製造を行う．東大アイソトープセンターのGe検出器によるリジッドフレキボードの残留バックグラウンドの測定を行う，この3つの製造にフィードバックをさせる．また4つのXRPIX7素子と，アンチカウンタの準備を終了させる．これにより，観測実験への準備はすべて完了であるので，コミッショニングと初期観測を行う予定である．デジタルXRPIXについて，2023年度にADC, DAC, BGRを持つ小型デジタルXRPIXの試作を行う．また，製造のためのウェハの導入も行う予定である．

Research Products

• [Journal Article] Discovery of Year-scale Time Variability from Thermal X-Ray Emission in Tycho’s Supernova Remnant (2022)
  • Author(s): Matsuda Masamune、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Yamaguchi Hiroya、Tsuru Takeshi Go
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 940 Pages: 105～105
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac94cf
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatially resolved study of the SS?433/W?50 west region with Chandra: X-ray structure and spectral variation of non-thermal emission (2022)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-resolution X-ray study of supernova remnant J0453.6?6829 with unusually high forbidden-to-resonance ratio (2022)
  • Author(s): Koshiba Yosuke、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Amano Yuki、Sano Hidetoshi、Tsuru Takeshi Go
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 74 Pages: 757～766
  • DOI: 10.1093/pasj/psac033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proton radiation damage tolerance of wide dynamic range SOI pixel detectors (2022)
  • Author(s): Tsunomachi Shun、Kohmura Takayoshi、Hagino Kouichi、Kitajima Masatoshi、Doi Toshiki、Aoki Daiki、Ohira Asuka、Shimizu Yasuyuki、Fujisawa Kaito、Yamazaki Shizusa、Uchida Yuusuke、Shimizu Makoto、Itoh Naoki、Arai Yasuo、Miyoshi Toshinobu、Nishimura Ryutaro、Tsuru Takeshi G.、Kurachi Ikuo
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 12191 Pages: 121910C
  • DOI: 10.1117/12.2629771
• [Journal Article] Single event tolerance of x-ray silicon-on-insulator pixel sensors (2022)
  • Author(s): Hagino Kouichi、Hayashida Mitsuki、Kohmura Takayoshi、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Kitajima Masatoshi、Tsuru Takeshi G.、 et al.
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 8 Pages: 046001
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.8.4.046001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission (2022)
  • Author(s): Mori Koji、Tsuru Takeshi G.、et al.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 12181 Pages: 1218122
  • DOI: 10.1117/12.2628772
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the x-ray imaging and spectroscopy mission (XRISM) (2022)
  • Author(s): Mori Koji、Tomida Hiroshi、Nakajima Hiroshi、Okajima Takashi、Noda Hirofumi、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Hagino Kouichi、Kobayashi Shogo B.、Suzuki Hiromasa、Yoshida Tessei、Murakami Hiroshi、Uchiyama Hideki、Nobukawa Masayoshi、Nobukawa Kumiko K.、Yoneyama Tomokage、Matsumoto Hironori、Tsuru Takeshi G. et al.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: Proc. SPIE Pages: Proc. SPIE
  • DOI: 10.1117/12.2626894
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray radiation damage effects on double-SOI pixel detectors for the future astronomical satellite FORCE (2022)
  • Author(s): Kitajima Masatoshi、Hagino Kouichi、Kohmura Takayoshi、Hayashida Mitsuki、Oono Kenji、Negishi Kousuke、Yarita Keigo、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Tsuru Takeshi G.、et al.
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 8 Pages: 26007
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.8.2.026007
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 史上最大の恒星フレアの NICER とせいめい望遠鏡によるX線・Hα 線観測 (2023)
  • Author(s): 井上峻, 榎戸輝揚 (京大), 野津湧太 (コロラド大/東工大), 岩切渉 (千葉大), 前原裕之, 行方宏介 (NAOJ), 本田敏志 (兵庫県立大) 他
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] 星周物質の X 線精密分光解析による超新星残骸 RCW 103 の親星推定 (2023)
  • Author(s): 成田拓仁, 内田裕之, 吉田敬, 鶴剛(京都大学), 田中孝明(甲南大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] 超新星残骸 G0.61+0.01 におけるジェット状爆発の観測的証拠の発見 (2023)
  • Author(s): 田中優貴子, 内田裕之, 松永海, 成田拓仁, 天野雄輝, 佳山一帆, 鶴剛, 前田啓一 (京都大), 田中孝明 (甲南大), 岡朋治 (慶應義塾大), 竹川俊也 (神奈川大)
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] 超新星残骸 G359.0－0.9 の X 線解析による親星の質量制限 (2023)
  • Author(s): 松永海, 内田裕之, 成田拓仁(京都大学), 榎谷玲依(慶應義塾大学), 鶴剛(京都大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (9) (2023)
  • Author(s): 信川久実子 (近大), 森浩二 (宮崎大, ISAS/JAXA), 冨田洋 (ISAS/JAXA), 中嶋大 (関東学院大, ISAS/JAXA), 野田博文, 林田清 (阪大), 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] 軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (15) (2023)
  • Author(s): 森浩二, 武田彩希 (宮崎大), 村上弘志 (東北学院大), 他 FORCE WG
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 56:MeV ガンマ線観測への応用 に向けた SOI ピクセル検出器の基礎特性評価 (2) (2023)
  • Author(s): 橋爪大樹, 須田祐介, 深澤泰司 (広島大学), 鶴剛 (京都大学), 武田彩希 (宮崎大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型X線撮像分光器の開発 57 : PDD 構造を持つ大面積X線 SOI-CMOS 検出器 XRPIX の性能評価 (2023)
  • Author(s): 泉大輔, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 川島陸斗, 眞方恒陽 (宮崎大学), 鶴 剛 他
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] 降着駆動型 X 線パルサーの軟 X 線超過放射と低電離鉄輝線の系統的な解析 (2023)
  • Author(s): 永井悠太郎, 榎戸輝揚, 内田裕之, 鶴剛(京都大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023春季年会
• [Presentation] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (9) (2023)
  • Author(s): 内田裕之, 萩野浩一, 野田博文, 林田清, 冨田洋, 森浩二, 中嶋大, 田中孝明, 鶴剛, 松本浩典, 岡島崇, 吉田鉄生, 米山友景, 石田学, 前田良知, 村上弘志, 山内誠, 廿日出勇, 信川正順, 信川久実子, 幸村孝由, 小林翔悟, 鈴木寛大, 平賀純子, 内山秀樹, 山岡和貴, 尾崎正伸, 堂谷忠靖, 常深博, 水野恒史, 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] 広帯域X線の高感度観測衛星 FORCE：高精度の姿勢決定系の検討と汎用天文台としての位置づけ (2023)
  • Author(s): 中澤知洋, 森浩二, 村上弘志, 久保田あや, 小林翔悟, 幸村孝由, 萩野浩一, 高橋忠幸, 馬場彩, 小高裕和, 寺田幸功, 榎戸輝揚, 内山泰伸, 佐藤寿紀, 石村康生, 北山哲, 谷津陽一, 藤田裕, 石田学, 渡辺伸, 山口弘悦, 中嶋大, 古澤彰浩, 信川正順, 太田直美, 鶴剛, 他 FORCE WG
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] SOIPIX を用いたsub-MeVガンマ線観測用の電子飛跡検出型コンプトンカメラの開発 (2023)
  • Author(s): 加賀谷美佳, 片桐秀明, 加藤凌, 東城直美, 武田彩希, 島添健次, 鶴剛, 田中孝明, 上ノ町水紀, Lan Zhang
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] 巨大分子雲 Sgr B2 からの He-like 鉄輝線放射と高速度コンパクト雲 (2022)
  • Author(s): 田中 優貴子, 松永 海, 成田 拓仁, 天野 雄輝, 佳山 一帆, 内田 裕之, 鶴 剛 (京都大), 田中 孝明(甲 南大), 岡 朋治(慶應義塾大)
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] Chandra 衛星およびXMM-Newton 衛星の観測を用いた SS 433/W50 における 粒子加速の研究 (2022)
  • Author(s): 佳山 一帆, 鶴 剛, 内田 裕之 (京都大学), 田中 孝明 (甲南大学), 須藤 貴弘 (オハイオ州立大学), 井 上 芳幸 (大阪大学), Dmitry Khangulyan (立教大学), 辻 直美 (神奈川大学), 山本 宏昭 (名古屋大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] 超新星残骸 RX J1713.7－3946 南西部の衝撃波速度の測定 (2022)
  • Author(s): 田中孝明 (甲南大学), 内田裕之 (京都大学), 佐野栄俊 (岐阜大学), 鶴剛 (京都大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (8) (2022)
  • Author(s): 小林翔悟 (東理大), 鈴木寛大 (甲南大), 森浩二 (宮大, ISAS/JAXA), 冨田洋 (ISAS/JAXA), 中嶋大 (関東学院大, ISAS/JAXA), 林田清, 野田博文 (阪大), 鶴剛 (京大), 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のフライト用 CCD 素子の地上較正試験に おける分光性能の評価 (2022)
  • Author(s): 宮_啓太郎, 寺田裕太, 金丸善朗, 楠康平, 大塚芳徳, 横須晴彦, 米丸若菜, 森浩二 (宮崎大学), 青木悠 馬, 信川久実子 (近畿大学), 筆本脩介, 信川正順 (奈良教育大学), 内田裕之, 鶴剛 (京都大学), 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のイベント検出アルゴリズムのパラメタ決定 (2022)
  • Author(s): 大塚芳徳, 金丸善朗, 宮_啓太郎, 楠康平, 横須晴彦, 米丸若菜, 森浩二 (宮崎大学), 信川久実子 (近畿 大学), 信川正順 (奈良教育大学), 内田裕之, 鶴剛 (京都大学), 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] X 線分光撮像衛星 XRISM 搭載 CCD 検出器における Goffset のシミュレーション (2022)
  • Author(s): 青木悠馬，信川久実子(近畿大)，信川正順(奈良教育大)，金丸善朗，宮崎啓太郎，楠康平，森浩二 (宮崎大)，冨田洋(JAXA)，中嶋大(関東学院大)，松本浩典，野田博文，林田清(大阪大)，鶴剛，他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] 軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (14) (2022)
  • Author(s): 森浩二, 武田彩希 (宮崎), 村上弘志 (東北学院), 寺田幸功 (埼玉),, 鶴剛, 他 FORCE WG
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 53:MeV ガンマ線観測への応用 に向けた SOI ピクセル検出器の基礎特性評価 (2022)
  • Author(s): 橋爪大樹, 須田祐介, 深澤泰司 (広島大学), 鶴剛 (京都大学), 武田彩希 (宮崎大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 54 : PDD 構造を有する X 線SOI-CMOS 検出器 XRPIX の TID 効果測定試験 (2022)
  • Author(s): 岩切卯月, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 泉大輔 (宮崎大学), 鶴剛, 内田裕之, 天野 雄輝, 佳山一帆, 松田真宗 (京都大学), 倉知郁生 (ディーアンドエス), 新井康夫 (KEK), 幸村孝由, 土 居俊輝, 角町駿, 武居悠貴, 清水真 (東京理科大学), 萩野浩一 (関東学院大学), 田中孝明 (甲南大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 55:現在の到達点と今後の開発 (2022)
  • Author(s): 鶴 剛, 内田裕之, 上ノ町水紀，池田智法，佳山一帆, 松田真宗, 天野雄輝(京都大), 森浩二, 武田彩 希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 泉大輔, 岩切卯月(宮崎大), 幸村孝由, 他
  • Organizer: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [Presentation] A hard X-ray complement to Athena: The prospect of hard X-ray astronomy in the 2030s and the FORCE mission (2022)
  • Author(s): Hornschemeier, Ann ; Mori, Koji ; Tsuru, Takeshi ; Nakazawa, Kazuhiro ; Ueda, Yoshihiro ; Tanaka, Takaaki ; Watanabe, Shin ; Ishida, Manabu ; Matsumoto, Hironori ; Awaki, Hisamitsu ; Okajima, Takashi ; Zhang, William ; Yukita, Mihoko ; Williams, Brian
  • Organizer: AAS High Energy Astrophysics Division meeting #19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent progress in development of trigger-output event-driven x-ray astronomy SOI pixel sensors (2022)
  • Author(s): Takeshi Go Tsuru, Hiroyuki Uchida, Kazuho Kayama, Yuki Amano, Koji Mori, Ayaki Takeda, Yusuke Nishioka, Masataka Yukumoto, Kira Mieda, et al.
  • Organizer: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, 2022, Montr_al, Qu_bec, Canada
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (10) (2022)
  • Author(s): 鈴木寛大, 小林翔悟, 森浩二, 冨田洋B, 中嶋大, 林田清, 野田博文, 内田裕之, 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 広帯域X線の高感度観測衛星 FORCE：2022年秋におけるミッション提案の現状 (2022)
  • Author(s): 中澤知洋, 森浩二, 村上弘志, 久保田あや, 小林翔悟, 幸村孝由, 高橋忠幸, 馬場彩, 小高裕和, 谷本敦, 寺田幸功, 榎戸輝揚, 内山泰伸, 佐藤寿紀, 石村康生, 北山哲, 谷津陽一, 藤田裕, 石田学, 渡辺伸, 山口弘悦, 中嶋大, 萩野浩一, 古澤彰浩, 信川正順, 太田直美, 鶴剛, 他 FORCE WG
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 宇宙X線観測向けSOIピクセル検出器の大面積化におけるアナログ信号応答の改良 (2022)
  • Author(s): 武田彩希, 森浩二, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 泉大輔, 川島陸斗, 眞方恒陽, 鶴剛, 内田裕之, 上ノ町水紀, 天野雄輝, 佳山一帆, 松田真宗, 島添健次, 高橋浩之, 幸村孝由, 角町駿, 土居俊輝, 武居悠貴, 清水真, 田中孝明, 鈴木寛大, 萩野浩一, 新井康夫, 倉知郁生
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 宇宙X線観測向けSOIピクセル検出器の放射線耐性の評価 (2022)
  • Author(s): 幸村孝由, 北島隼正, 角町駿, 土居俊輝, 武居悠貴, 清水真, 萩野浩一, 鶴剛, 内田裕之, 上ノ町水紀, 天野雄輝, 佳山一帆, 松田真宗, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 泉大輔, 川島陸斗, 眞方恒陽, 田中孝明, 鈴木寛大, 新井康夫, 倉知郁生
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 新型ピクセル型シリコン検出器による極低バックグラウンド環境での太陽アクシオン探査 (2022)
  • Author(s): 松田真宗, 藤井俊博, 鶴剛, 池田智法, 天野雄輝, 佳山一帆, 岩崎啓, 上ノ町水紀, 身内賢太朗, 小貫良行, 井上慶純, 武多昭道
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Book] 放射素過程の基礎 (2022)
  • Author(s): 中村 文隆、鶴 剛、長田 哲也、藤沢 健太、梅村 雅之、福江 純
  • Total Pages: 384
  • Publisher: 日本評論社
  • ISBN: 453560343X