Solar axion search with new ultra-low background pixel detector

2023 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

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．アクシオンの性質と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，本研究はアクシオンと原子核の相互作用のみに特化した検証のため，太陽アクシオン探査実験「ISAI」を行う．太陽中心のFe-57原子で生成されるアクシオンを，実験室内に置いたFe-57フォイルで14.4keVのX線に変換し，研究代表者独自のイベント駆動型X線SOIピクセル検出器「SOIPIX」で検出する．
実験成功の鍵は鉛遮蔽体内部に置くSOIPIXカメラ部の残留バックグラウンド（以下，残留 BG）を極限することである．本研究はまず，カメラ部の部材を一つ一つHPGe検出器で調べた．その結果，SOIPIX素子のフレキシブル回路基板のサポート部が高い残留BGを持つことが判明した．そこで，サポート部を取り除いた回路基板を新規開発した．次にSOIPIXの評価を進め，量子効率と分光能力の最適動作条件を得た．さらにバックグラウンドを下げるために，三角シンチレータと組み合わせた反同時計数システムを開発した．これにより，ISAI実験の準備はほぼ整った．まもなく観測を開始する．
本研究のもう一つの目標は，さらに低い残留BGを目指し部材をさらに減らすために，ADC等を内蔵する高機能の「デジタルSOIPIX」の開発を行うことである．ADCを内蔵した小型素子の開発に成功し，外付けADCを用いた場合と同等の分光性能を発揮することを確認した．これに続いてDACおよびBGRを搭載した新しい小型素子の製造も行った．本研究終了後にこの素子の性能評価を行う予定である．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Design study and spectroscopic performance of SOI pixel detector with a pinned depleted diode structure for X-ray astronomy (2024)
  • Author(s): Yukumoto Masataka、Mori Koji、Takeda Ayaki、Nishioka Yusuke、Yonemura Syuto、Izumi Daisuke、Iwakiri Uzuki、Tsuru Takeshi G.、Kurachi Ikuo、Hagino Kouichi、Arai Yasuo、Kohmura Takayoshi、Tanaka Takaaki、Kimura Miraku、Fuchita Yuta、Yoshida Taiga、Ikeda Tomonori
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1060 Pages: 169033～169033
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.169033
• [Journal Article] Radiation-Induced Degradation Mechanism of X-Ray SOI Pixel Sensors With Pinned Depleted Diode Structure (2023)
  • Author(s): Hagino Kouichi、Kitajima Masatoshi、Kohmura Takayoshi、Kurachi Ikuo、Tsuru Takeshi G.、Yukumoto Masataka、Takeda Ayaki、Mori Koji、Nishioka Yusuke、Tanaka Takaaki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 70 Pages: 1444～1450
  • DOI: 10.1109/TNS.2023.3287130
• [Journal Article] Progenitor Constraint with Circumstellar Material for the Magnetar-hosting Supernova Remnant RCW 103 (2023)
  • Author(s): Narita Takuto、Uchida Hiroyuki、Yoshida Takashi、Tanaka Takaaki、Tsuru Takeshi Go
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 950 Pages: 137～137
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acccf6
• [Presentation] "ISAI" Investigating Solar Axion by Iron-57 (2024)
  • Author(s): Takeshi Tsuru
  • Organizer: FY2023 "What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter"・YITP, Kyoto Univ., Japan・March 7-8, 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The ISAI experiment Investigating Solar Axion by Iron-57 (2024)
  • Author(s): Takeshi Tsuru
  • Organizer: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics"(UGAP2024)・Tohoku Univ.・March 4-6, 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SOI ピクセル半導体検出器を用いた電子飛跡検出型コンプトンカメラの開発 (2024)
  • Author(s): 加賀谷美佳 (仙台高専）, 片桐秀明, 加藤凌, 東城直美（茨城大学）, 鶴剛（京都大学）, 武田彩希（宮崎大学）, 新井康夫（KEK）, 島添健次（東京大学）
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] M 型星 EV Lac における恒星フレアの X 線・紫外線・可視光同時観測 (2024)
  • Author(s): 井上峻, 榎戸輝揚 (京大), 行方宏介 (NAOJ), 野津湧太 (コロラド大), 本田敏志 (兵庫県立大), 前原裕之 (NAOJ), Jiale Zhang, Hong-Peng Lu (北京大), 内田裕之, 鶴剛, 野上大作, 柴田一成 (京大)
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] JEDI ミッション（仮称）のサイエンス検討：2030 年代の紫外・X 線による超新星爆発の即応/待ち受け観測 (2024)
  • Author(s): 内田裕之 (京都大), 岩切渉 (千葉大), 石崎渉 (京都大), 内山秀樹 (静岡大), 樫山和巳 (東北大), 勝田哲 (埼玉大), 黄天鋭 (東京大/理研), 佐藤寿紀 (明治大), 茂山俊和, 鈴木昭宏 (東京大), 鈴木寛大(ISAS/JAXA), 諏訪雄大 (東京大) ほか JEDI ミッション検討チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] X 線精密分光解析による超新星残骸 G292.0+1.8 の帯状星周物質の起源解明 (2024)
  • Author(s): 成田拓仁, 内田裕之, 吉田敬, 松永海, 鶴剛 (京都大学), Jacco Vink (University of Amsterdam), 勝田哲 (埼玉大学), 梅田秀之 (東京大学), 佐藤寿紀 (明治大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] ティコの超新星残骸における衝撃波速度の追跡調査とスペクトル変動の探索 (2024)
  • Author(s): 松田真宗 (京都大学), Brian J. Williams (NASA/GSFC), 内田裕之, Shiu-Hang Lee, 鶴剛 (京都大学), 田中孝明 (甲南大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の軌道上運用 (2024)
  • Author(s): 中嶋大 (関東学院大, ISAS/JAXA), 森浩二 (宮崎大, ISAS/JAXA), 冨田洋 (ISAS/JAXA), 野田博文(阪大), 鈴木寛大 (ISAS/JAXA), 小林翔悟 (東京理科大), 萩野浩一 (東京大), 内田裕之 (京大), 米山友景 (中央大) XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] X 線天文衛星 XRISM 搭載 X 線 CCD 検出器 SXI におけるフレームデータとノイズ性能の評価 (2024)
  • Author(s): 青木悠馬, 伊藤耶馬斗, 福田開大, 木山穂乃香, 信川久実子 (近畿大), 信川正順 (奈良教育大), 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 (大阪大) 他 XRISM/Xtend team
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] 激変する宇宙をスクープする JEDI ミッション (仮称) のサイエンス検討 (2024)
  • Author(s): 榎戸輝揚 (京大/理研), 中澤知洋 (名古屋大), 赤松弘規 (QUP/KEK), 石田学 (JAXA/ISAS), 岩切渉 (千葉大), 上田佳宏, 内田裕之, 鶴剛 (京大), 川室太希, 山田智史 (理研), 木邑真理子 (金沢大), 志達めぐみ(愛媛大) ほか JEDIミッション検討チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] ISS から観測する大気透過 CXB を用いた大気密度測定の精度見積もり (2024)
  • Author(s): 岸本拓海, 伊藤耶馬斗, _野慧, 河邉圭寿, 青木悠馬, 木山穂乃香, 信川久実子 (近畿大学), 勝田哲, 山脇鷹也 (埼玉大学), 武田彩希, 森浩二, 眞方恒陽, 黒木瑛介 (宮崎大学), 鶴剛, 内田裕之 (京都大学), 中澤知洋 (名古屋大学), 信川正順 (奈良教育大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 62:宇宙 MeV ガンマ線観測に向けた XRPIX8.5 と CsI シンチレータで構成するコンプトンカメラの開発 (2024)
  • 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 2024年春季大会
• [Presentation] 降着型 X 線パルサーの軟 X 線超過と鉄輝線の放射場所の系統調査 (2024)
  • 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 2024年春季大会
• [Presentation] 食をもつＸ線連星 4U 1538－522 の連星位相に分割したスペクトル解析 (2024)
  • Author(s): 斉藤裕次郎, 榎戸輝揚, 内田裕之, 鶴剛 (京都大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季大会
• [Presentation] Discovery of Year-scale Time Variability from Thermal X-Ray Emission in Tycho's Supernova Remnant (2023)
  • Author(s): Matsuda, Masamune; Uchida, Hiroyuki; Tanaka, Takaaki; Yamaguchi, Hiroya; Tsuru, Takeshi
  • Organizer: AAS/High Energy Astrophysics Division
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation Study of Pulse Height Difference Between Pixel Patterns of X-ray CCDs Onboard the XRISM Satellite (2023)
  • Author(s): Aoki, Y.; Ito, Y.; Nobukawa, M.; Kanemaru, Y.; Miyazaki, K.; Kusunoki, K.; Mori, K.; Yoneyama, T.; Tamba, T.; Tomida, H.; Nakajima, H.; Matsumoto, H. et al.
  • Organizer: 10th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of Imaging Sensors for X-ray Astronomy (2023)
  • Author(s): Takeshi Tsuru
  • Organizer: IDW '23 - 30th International Display Workshops・TOKI MESSE Niigata Convention Center Niigata, Japan・December 6-8, 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] X 線・可視光観測で探る T タウリ型星の磁気活動と原始惑星系円盤への作用 (2023)
  • Author(s): 井上峻, 榎戸輝揚 (京大), 野津湧太 (コロラド大), 行方宏介 (国立天文台), 内田裕之, 鶴剛 (京大)
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] Mg-rich 超新星残骸 G359.0－0.9 の親星質量推定 (2023)
  • Author(s): 内田裕之, 松永海 (京都大学), 佐藤寿紀 (明治大学), 榎谷玲依 (国立天文台/岐阜大学), 梅田秀之 (東京大学), 成田拓仁, 鶴剛 (京都大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [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 (10) (2023)
  • Author(s): 内山秀樹 (静岡大), 信川正順 (奈良教育大), 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 (阪大), 鈴木寛大 (甲南大), 小林翔悟 (東京理科大), 萩野浩一 (東京大), 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] XRISM 搭載軟Ｘ線撮像検出器 SXI のエネルギー線形性の評価 (2023)
  • Author(s): 米丸若菜, 宮_啓太郎, 楠康平, 大塚芳徳, 横須晴彦, 市川雄大, 中野瑛子, 森浩二 (宮崎大学), 金丸善朗 (ISAS/JAXA), 青木悠馬, 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), 田中孝明, 鈴木寛大 (甲南大学) 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] XRISM 搭載軟Ｘ線撮像検出器 SXI の衛星熱真空試験における分光性能の評価 (2023)
  • Author(s): 横須晴彦, 楠康平, 宮_啓太郎, 大塚芳徳, 米丸若菜, 市川雄大, 中野瑛子, 森浩二 (宮崎大学), 青木悠馬, 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), 田中孝明, 鈴木寛大(甲南大学), 善本真梨那, 袴田知宏, 青柳美緒 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] ISS 曝露部に搭載するＸ線 SOI-CMOS ピクセル検出器 XRPIX で探る超高層大気の観測計画 (2023)
  • Author(s): 武田彩希 (宮崎大学), 信川久実子 (近畿大学), 勝田哲 (埼玉大学), 鶴剛 (京都大学), 中澤知洋 (名古屋大学), 信川正順 (奈良教育大学), 内田裕之 (京都大学), 森浩二, 眞方恒陽, 黒木瑛介 (宮崎大学), 河邉圭寿, 岸本拓海, _野慧 (近畿大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] ISS 曝露部に搭載する超高層大気観測用 X 線カメラの概要と開発状況 (2023)
  • Author(s): 河邉圭寿、信川久実子 (近畿大学)、武田彩希 (宮崎大学)、勝田哲 (埼玉大学)、鶴剛 (京都大学)、中澤知洋 (名古屋大学)、信川正順 (奈良教育大学)、内田裕之 (京都大学)、森浩二 (宮崎大学)、眞方恒陽(宮崎大学)、岸本拓海 (近畿大学)、黒木瑛介 (宮崎大学)、桑野慧 (近畿大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] JEDI(仮) のミッションデザイン (2023)
  • Author(s): 中澤知洋（名大）、石田学（JAXA/ISAS）、内田裕之（京大）、小高裕和（阪大）、幸村孝由（理科大）、佐藤寿紀（明治大）、澤田真理（立教大）、鈴木寛大（甲南大）、高橋弘充（広大）、田中孝明（甲南大）、鶴剛（京大）、中嶋大（関東学院）、野田博文（阪大）、萩野浩一（東大）、松本浩典（阪大）他 JEDI WG
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型Ｘ線撮像分光器の開発 58: PDD 構造を持つ X 線 SOI ピクセル検出器の放射線損傷による性能劣化機構の研究 (2023)
  • Author(s): 萩野浩一 (東京大学), 北島正隼, 幸村孝由 (東京理科大学), 倉知郁生 (ディーアンドエス), 鶴剛 (京都大学), 行元雅貴, 武田彩希, 森浩二, 西岡祐介 (宮崎大学), 田中孝明 (甲南大学)
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型Ｘ線撮像分光器の開発 59：PDD 構造を有するＸ線 SOI-CMOS ピクセル検出器 XRPIX における軟Ｘ線性能評価 (2023)
  • Author(s): 木村明愉, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 泉大輔, 岩切卯月 (宮崎大学), 鶴剛, 上ノ町水紀, 池田智法, 松田真宗, 成田拓仁 (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, 内田悠介, 清水真 (東京理科大学), 萩野浩一 (東京大学) 他
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型Ｘ線撮像分光器の開発 60: PDD 構造を導入した X 線天文用 SOI ピクセル検出器のサブピクセルレベルの X 線応答特性の評価 (2023)
  • Author(s): 幸村孝由, 内田悠介, 土居俊輝, 角町駿, 武居悠貴, 伊藤尚輝, 清水真, 志賀文哉 (東京理科大学), 萩野浩一 (東京大学), 鈴木寛大 (甲南大学), 鶴剛, 上ノ町水紀, 松田真宗, 成田拓仁 (京都大学), 倉知郁生(ディーアンドエス), 岩切卯月, 泉大輔, 木村明愉, 川島陸斗, 眞方恒陽 他
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 61:内蔵アナログ-デジタル変換器の性能評価 (2023)
  • Author(s): 松橋裕洋, 萩野浩一, 馬場彩 (東京大学), 武田彩希, 行元雅貴, 森浩二, 西岡祐介 (宮崎大学), 鶴剛, 上ノ町水紀, 池田智法, 松田真宗, 成田拓仁 (京都大学), 田中孝明, 鈴木寛大 (甲南大学), 倉知郁生 (ディーアンドエス), 幸村孝由, 内田悠介 (東京理科大学), 新井康夫 (KEK)
  • Organizer: 日本天文学会 2023年秋季大会
• [Presentation] 10Bを成膜したSOI-CMOSピクセル検出器におけるパルス中性子の応答評価 (2023)
  • Author(s): 川島陸斗, 武田彩希, 塩川朝日, 眞方恒陽, 三谷美輝, 鎌田信壱, 齊藤悠人, 森浩二, 島添健次, 高橋浩之, 永井寛大A, Mohammad HamdanA, 神谷好郎, 上ノ町水紀, 鶴剛, 倉知郁生, 新井康夫
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [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 (12) (2023)
  • Author(s): 信川正順, 内山秀樹, 森浩二, 冨田洋, 中嶋大, 野田博文, 鈴木寛大, 小林翔悟, 萩野浩一, 内田裕之, 米山友景, 田中孝明, 村上弘志, 信川久実子, 幸村孝由, 鶴剛, 松本浩典, 小高裕和, 山内誠, 廿日出勇, 山岡和貴, 吉田鉄生, 金丸善朗, 水野恒史 他 XRISM/Xtend チーム
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] 宇宙X線観測向け大面積SOIピクセル検出器の改良と性能評価 (2023)
  • Author(s): 武田彩希, 森浩二, 西岡祐介, 行元雅貴, 岩切卯月, 泉大輔, 木村明愉, 川島陸斗, 眞方恒陽, 塩川朝日, 三谷美輝, 鶴剛, 内田裕之, 上ノ町水紀, 池田智法, 松田真宗, 成田拓仁, 島添健次, 朱慶紅, 高橋浩之, 幸村孝由, 内田悠介, 角町駿, 土居俊輝, 武居悠貴, 伊藤尚輝, 志賀文哉 他
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] PDD 構造を導入したX線天文衛星搭載用SOI ピクセル検出器のサブピクセルレベルのX線応答特性の評価 (2023)
  • Author(s): 幸村孝由, 内田悠介, 土居俊輝, 角町駿, 武居悠貴, 伊藤尚輝, 清水真, 志賀文哉, 萩野浩一, 鈴木寛大, 鶴剛, 上ノ町水紀, 池田智法, 松田真宗, 成田拓仁, 倉知郁生, 岩切卯月, 泉大輔, 木村明愉, 川島陸斗, 眞方恒陽, 塩川朝日, 三谷美輝, 行元雅貴, 武田彩希, 森浩二, 西岡祐介 他
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] ISS曝露部搭載のX線SOI-CMOSピクセル検出器XRPIXで探る超高層大気の観測計画 (2023)
  • Author(s): 信川久実子, 武田彩希, 勝田哲, 鶴剛, 中澤知洋, 森浩二, 信川正順, 内田裕之, 眞方恒陽, 河邉圭寿, 岸本拓海, 黒木瑛介, _野慧
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会（2023年）
• [Presentation] 超高層大気を観測するISS搭載X線SOI-CMOSピクセル検出器カメラの開発 (2023)
  • Author(s): 武田彩希, 黒木瑛介, 眞方恒陽, 森浩二, 信川久実子, 河邉圭寿, 岸本拓海, 伊藤耶馬斗, _野慧, 青木悠馬, 木山穂乃香, 勝田哲, 山脇鷹也, 鶴剛, 内田裕之, 中澤知洋, 信川正順
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Ｘ線分光撮像衛星 XRISM 搭載軟Ｘ線撮像装置 Xtend の現状 (2023)
  • Author(s): 森浩二, 中嶋大, , 冨田洋, 岡島崇, 野田博文, 内田裕之, 鈴木寛大, 小林翔悟, 萩野浩一, 信川久実子, 米山友景, 田中孝明, 村上弘志, 信川正順, 内山秀樹, 松本浩典, 鶴剛, 山内誠, 廿日出勇, 小高裕和, 幸村孝由, 山岡和貴, 石田學 and the XRISM/Xtend team
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Evaluation of the X-ray SOI pixel detector with on-chip ADC (2023)
  • Author(s): Hiroumi Matsuhashi, Koichi Hagino, Aya Bamba, Ayaki Takeda, Masataka Yukumoto, Koji Mori, Yusuke Nishioka, Takeshi Go Tsuru, Mizuki Uenomachi et al.
  • Organizer: The 13th International "Hiroshima" Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD13)
• [Presentation] Radiation Damage Effects in X-ray SOI Pixel Sensors with Pinned Depleted Diode Structure (2023)
  • Author(s): Kouichi Hagino, Masatoshi Kitajima, Takayoshi Kohmura, Ikuo Kurachi, Takeshi G. Tsuru, Masataka Yukumoto, Ayaki Takeda, Koji Mori, Yusuke Nishioka, Takaaki Tanaka
  • Organizer: 2023 IEEE NUCLEAR SCIENCE SYMPOSIUM, MEDICAL IMAGING CONFERENCE AND ROOM TEMPERATURE SEMICONDUCTOR DETECTOR CONFERENCE