| Project Area | The creation of multi-messenger astrophysics -- The unified picture of dynamical universe driven by births of black holes |
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| Project/Area Number |
23H04897
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
奥村 曉 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 講師 (90645011)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
常定 芳基 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50401526)
深沢 泰司 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (60272457)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥112,710,000 (Direct Cost: ¥86,700,000、Indirect Cost: ¥26,010,000)
Fiscal Year 2026: ¥21,840,000 (Direct Cost: ¥16,800,000、Indirect Cost: ¥5,040,000)
Fiscal Year 2025: ¥21,450,000 (Direct Cost: ¥16,500,000、Indirect Cost: ¥4,950,000)
Fiscal Year 2024: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000)
Fiscal Year 2023: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
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| Keywords | ガンマ線 / 宇宙線 / ニュートリノ / 半導体 / 光検出器 / ガンマ線天文学 / 宇宙線物理学 / ニュートリノ天文学 / コンプトンカメラ / 光電子増倍管 / CMOSセンサー / マルチメッセンジャー |
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| Outline of Research at the Start |
次世代のマルチメッセンジャー観測では「異なる波長領域・粒子の放射機構の関係性を包括的に理解するための観測感度が達成されているか」という視点が新たに要求される。そこで本計画班は将来の観測で「感度の穴」となり得るエネルギー帯域の重点的な高度化を高エネルギー粒子の観測で進め、B02 班の検出器開発とともに本研究分野の長期的な成長を本研究提案期間を越えて支援する。高エネルギー観測では個々の天体からの光子・ニュートリノ検出数が限られていた現状を打破し、観測可能天体数を増加させ、時間変動やエネルギースペクトルを高統計観測で引き出す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は主に3つの装置開発を3人の代表・分担研究者で進めてきた。
(1) 超高エネルギーガンマ線の観測では、半導体光検出器SiPMに大気チェレンコフ光の波長を選択的に取り出す多層膜フィルターの開発と、その試作、およびフィルターとSiPMを同時使用した場合の性能評価システムの構築を進めた。フィルターの反射率の詳細な測定やSiPMの集光能力の評価を行なった。またSiPMをガンマ線観測で長期使用するにあたり、SiPMの暗電流特性評価を数ヶ月にわたって行い、その結果を査読つき国際会議プロシーディングス論文として出版した。
(2) MeVガンマ線観測装置の開発では、コンプトンカメラ用に新しい種類のCMOSセンサーAstroPixの開発を進めた。AstroPix version 3のチップが完成したため、エネルギー線形性、エネルギー分解能、空乏層暑さなどの測定を進め、次のバージョンへのフィードバックとした。また、４のチップを同時に読み出すシステムの開発を開始した。Arガスの検出器の立ち上げも行った。これら開発の結果も査読つき国際会議プロシーディングス論文として出版した。
(3) 高エネルギーニュートリノの検出器開発では、南極における高エネルギー宇宙ニュートリノ観測実験 IceCubeの拡張である、IceCube Gen-2で採用される光検出器（LOM）の感度向上を目指し、光ファイバを用いた集光・導光器「FOM」の開発を進めた。長さ1 mの光ファイバ（1 mm径）100本を用いたプロトタイプを製作し、その性能評価、シミュレーションによる計算との比較を進めた。この装置開発の学会発表では、日本物理学会で学生優秀発表賞を受賞した。
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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
(1) 4つの異なる多層膜フィルターの試作、それら反射率の性能評価、分光計システムの構築、光検出能力評価システムの構築などを進めた。SiPMの絶対光検出能力測定システムの開発は遅延しているものの、全体として順調に進んでいる。
(2) AstroPixの開発は順調に進んでおり、次のバージョンのチップの試作も進んでいる。アルゴンを用いた検出器の立ち上げも進めており、今のところ順調である。
(3) 長さ1 mの光ファイバ（1 mm径）100本を用いたプロトタイプを製作し、レーザー光源を照射してその集光と減衰を測定し、シミュレーション結果との比較を進めている。シミュレーションプログラム製作は完了した。
これら3つの進捗状況から、おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 多層膜蒸着を施した集光装置の製作を、3Dプリンタとガラス薄片による試作の段階から、金型を用いた樹脂コーンと樹脂上への直接蒸着の本製作へと進める。また過年度で得られた反射率測定の結果を光学シミュレーションに取り込み、集光装置の性能評価と比較する。SiPM単体の絶対光検出能力の測定も行なう予定である。
(2) バージョンアップしたAstroPixの性能評価を行い、さらにバージョンアップを進めて、要求仕様を満たすセンサーを目指す。Ar検出器の光読み出しを進めるとともに、電子読み出しを行う方策を考えていく。
(3) Geant4パッケージを用いたシミュレーション結果と、独自に作成したレイトレースプログラム、さらには幾何光学的な光の伝播を解析的・数値的に計算し、３者を比較する。また光ファイバによる集光器について、その強度や耐久性を考慮した２つめの試作器を製作して特性を評価する。
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