Search for cosmic dark matter by highly radiopure NaI(Tl) scintillator

• Project/Area Number: 19H00688
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: FUSHIMI Kenichi 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (90274191)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥46,150,000 (Direct Cost: ¥35,500,000、Indirect Cost: ¥10,650,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000); Fiscal Year 2019: ¥24,310,000 (Direct Cost: ¥18,700,000、Indirect Cost: ¥5,610,000)
• Keywords: 宇宙暗黒物質 / シンチレーター結晶 / 化学分離 / 放射線計測 / ヨウ化ナトリウム / 低バックグラウンド測定 / 季節変化 / 極低バックグラウンド / 宇宙暗黒物質探索 / 結晶シンチレーター / 高純度結晶 / 放射性不純物の測定 / シンチレーター / 超高純度技術 / 原料の純化 / イオン交換樹脂 / 無機シンチレーター

Outline of Research at the Start

宇宙暗黒物質問題は、宇宙物理学及び素粒子物理学の最大の課題である。本研究では総質量150 kgの大型かつ世界最高純度のタリウム添加ヨウ化ナトリウム(以後NaI(Tl)と略記する) を用いてイタリアのDAMA/LIBRAグループ が主張している宇宙暗黒物質によるエネルギースペクトルの微小な季節変動を検証する。世界最高純度の結晶を用いて、NaI(Tl)を用いたグループとして世界最高感度の探索を行なう。

Outline of Final Research Achievements

A high-purity NaI(Tl) detector has been developed to search for cosmic dark matter. The initial plan was to manufacture multiple large crystals with a mass of about 6 kg to improve the sensitivity. In the course of promoting the research plan, it became necessary to improve the purity of the crystal further, so it was decided to change the policy and promote higher purification.
In order to obtain high-purity NaI(Tl) crystals, we investigated the purification process of raw materials in detail. We developed a hybrid purification method that combines the removal of radioactive potassium by recrystallization and removing radioactive lead by ion exchange resin. As a result, we achieved the target for the purity of 210Pb, 40K, and other radioactive isotopes. We succeeded in paving the way for higher sensitivity by increasing the size in the future.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

宇宙暗黒物質探索実験は、宇宙物理学、素粒子物理学の最重要課題の一つである。様々なモデルによって提案されている宇宙暗黒物質の候補を探索する実験は、高感度の放射線検出器を応用して実行されているが、確定的な信号は未だに捉えられていない。
本研究ではタリウム添加ヨウ化ナトリウム結晶(NaI(Tl)と略記する）を用いた宇宙暗黒物質探索の感度を向上させるために結晶の純化に取り組んだ。その結果世界で最も高純度な結晶を製造することに成功した。この成果を応用することで世界の宇宙暗黒物質探索実験のみならず、重ベータ崩壊探索実験など極高感度の実験に対する感度を飛躍的に向上させることができる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Alabama(米国)
• [Int'l Joint Research] National Research Nuclear University(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] University of Alabama(米国)
• [Int'l Joint Research] National Research Nuclear Univ.(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] University of Alabama/University of California Berkeley(米国)
• [Int'l Joint Research] Univ. of Alabama/Lawrence Berkeley National Laboratory/University of Hawaii at Manoa(米国)
• [Int'l Joint Research] Moscow Engineering Physics Institute(ロシア連邦)
• [Journal Article] 高純度ヨウ化ナトリウムの結晶育成 (2022)
  • Author(s): 伏見 賢一・D. Chernyak・江尻 宏泰・畑 和実・硲 隆太・飯田 崇史・池田 晴雄・ 今川 恭四郎・井上 邦雄・伊藤 博士・岸本 忠史・古賀 真之・小寺 健太・ A. Kozlov・中村 健悟・折戸 玲子・嶋 達志・竹本 康浩・梅原 さおり・浦野 雄介・山本 祐平・保田 賢輔
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌「特集 バルク結晶の欠陥・不純物の制御と評価」 Volume: 40
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low background measurement in CANDLES-III for studying the neutrinoless double beta decay of 48Ca (2021)
  • Author(s): S. Ajimura, W. M. Chan, K. Ichimura, T. Ishikawa, K. Kanagawa, B. T. Khai, T. Kishimoto, H. Kino, T. Maeda, K. Matsuoka, N. Nakatani, M. Nomachi, M. Saka, K. Seki, Y. Takemoto, Y. Takihira, D. Tanaka, M. Tanaka,K.Fushimi(64番目)他50名
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 9 Pages: 092008-092008
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.092008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of highly radiopure NaI(Tl) scintillator for PICOLON dark matter search project (2021)
  • Author(s): K Fushimi, Y Kanemitsu, S Hirata, D Chernyak, R Hazama, H Ikeda, K Imagawa, H Ishiura, H Ito, T Kisimoto, A Kozlov, Y Takemoto, K Yasuda, H Ejiri, K Hata, T Iida, K Inoue, M Koga, K Nakamura, R Orito, T Shima, S Umehara, S Yoshida
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: ptab020 Issue: 4 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Study on Energy Resolution of CANDLES Detector (2021)
  • Author(s): Khai B. T.、Ajimura S.、Chan W. M.、Fushimi K.、Hazama R.、Hiraoka H.、Iida T.、Kanagawa K.、Kino H.、Kishimoto T.、Maeda T.、Nakajima K.、Nomachi M.、Ogawa I.、Ohata T.、Suzuki K.、Takemoto Y.、Takihira Y.、Tamagawa Y.、Tozawa M.、Tsuzuki M.、Umehara S.、Yoshida S.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 68 Issue: 3 Pages: 368-378
  • DOI: 10.1109/tns.2021.3054788
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for Low-energy Electron Antineutrinos in KamLAND Associated with Gravitational Wave Events (2021)
  • Author(s): Abe S.、Asami S. et al., KamLAND Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 909 Issue: 2 Pages: 116-116
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd5bc
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Purification of the NaI(Tl) crystal for dark matter search project PICOLON (2020)
  • Author(s): Kanemitsu Y.、Chernyak D.、Ejiri H.、Fushimi K.、Hata K.、Hazama R.、Ikeda H.、Imagawa K.、Inoue K.、Kozlov A.、Orito R.、Shima T.、Takemoto Y.、Umehara S.、Yasuda K.、Yoshida S.
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1468 Issue: 1 Pages: 012054-012054
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012054
  • NAID: 120006952366
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precision Analysis of the 136Xe Two-Neutrino beta beta Spectrum in KamLAND-Zen and Its Impact on the Quenching of Nuclear Matrix Elements (2019)
  • Author(s): A. Gando et al. (KamLAND-Zen Collaboration)
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 122 Issue: 19 Pages: 192501-192501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.192501
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of the scimtillation response of neutron satterin in NaI(Tl) scintillator for dark matter search (2019)
  • Author(s): K.Hata, E.Choi, K.Fushimi, R.Orito
  • Journal Title: Proc. 33rd Workshop on Radiation Detectors and Their Uses, KEK Proceedings 2019-4 Volume: 1 Pages: 69-76
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 無機シンチレーター結晶で解明する宇宙暗黒物質、ニュートリノの謎 (2023)
  • Author(s): 伏見 賢一・D. Chernyak・江尻 宏泰・畑 和実・硲 隆太・飯田 崇史・池田 晴雄・ 今川 恭四郎・井上 邦雄・伊藤 博士・岸本 忠史・古賀 真之・小寺 健太・ A. Kozlov・中村 健悟・折戸 玲子・嶋 達志・竹本 康浩・梅原 さおり・浦野 雄介・山本 祐平・保田 賢輔
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [Presentation] PICOLON宇宙暗黒物質探索 ～高純度NaI(Tl)結晶のバックグラウンド解析の現状～ (2023)
  • Author(s): 小寺健太, 伏見賢一, D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 山本祐平, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [Presentation] 宇宙暗黒物質探索のための高純度NaI(Tl)シンチレータの粒子識別能力の温度依存性 (2023)
  • Author(s): 浦野雄介、川合洋平、小寺健太、折戸玲子、伏見賢一
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [Presentation] PICOLON宇宙暗黒物質探索のためのNaI(Tl)結晶のバックグラウンド評価 (2023)
  • Author(s): 小寺健太, 伏見賢一, D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 山本祐平, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 日本物理学会2022年春季大会
• [Presentation] Background analysis of NaI(Tl) crystals for the development of new PICOLON detector (2022)
  • Author(s): K.Kotera, D.Chernyak, H.Ejiri, K.Fushimi, K.Hata, R.Hazama, T.Iida, H.Ikeda, K.Imagawa, K.Inoue, H.Ito, T.Kishimoto, M.Koga, A.Kozlov, K.Nakamura, R.Orito, T.Shima, Y.Takemoto, S.Umehara, Y.Urano, K.Yasuda, S.Yoshida
  • Organizer: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics UGAP2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quenching factor measurement in low-energy nuclear recoil of NaI(Tl) scintillator using monochromatic neutrons for dark matter search (2022)
  • Author(s): Y.Urano, Y.Kawai, K.Fushimi, K.Hata, S.Konishi, S.Kurosawa, K.Mukai, Y.Ogino, R.Orito, T.Sakabe
  • Organizer: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics UGAP2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高純度無機シンチレーターによる宇宙・素粒子稀現象の研究 (2022)
  • Author(s): 伏見 賢一・D. Chernyak・江尻 宏泰・畑 和実・硲 隆太・飯田 崇史・池田 晴雄・ 今川 恭四郎・井上 邦雄・伊藤 博士・岸本 忠史・古賀 真之・小寺 健太・ A. Kozlov・中村 健悟・折戸 玲子・嶋 達志・竹本 康浩・梅原 さおり・浦野 雄介・山本 祐平・保田 賢輔
  • Organizer: 公益法人日本セラミックス協会 第35 回秋季シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 単色中性子を用いた宇宙暗黒物質探索用NaI(Tl)の消光因子精密測定 (2022)
  • Author(s): 浦野雄介, 伏見賢一 , 畑和実 , 川合洋平 , 小西哲之, 黒澤俊介, 向井啓祐, 荻野靖之, 折戸玲子, 坂部俊郞
  • Organizer: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2022)
  • Invited
• [Presentation] PICOLON宇宙暗黒物質探索の現状 (2022)
  • Author(s): K.Kotera, D.Chernyak, H.Ejiri, K.Fushimi, K.Hata, R.Hazama, T.Iida, H.Ikeda, K.Imagawa, K.Inoue, H.Ito, T.Kishimoto, M.Koga, A.Kozlov, K.Nakamura, R.Orito, T.Shima, Y.Takemoto, S.Umehara, Y.Urano, K.Yasuda, S.Yoshida
  • Organizer: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2022)
  • Invited
• [Presentation] PICOLON報告～NaI(Tl)検出器による宇宙暗黒物質の現状と計画～ (2022)
  • Author(s): 伏見賢一,D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 石浦宏尚, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, 小寺健太, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(オンライン)
• [Presentation] PICOLON高純度NaI(Tl)結晶のバックグラウンド測定結果 (2022)
  • Author(s): 小寺健太,伏見賢一, D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 石浦宏尚, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会(オンライン)
• [Presentation] 超高純度無機シンチレーターによる宇宙暗黒物質探索の展望 (2022)
  • Author(s): 伏見賢一,D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 石浦宏尚, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, 小寺健太, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [Presentation] 単色中性子を用いた宇宙暗黒物質探索用NaI(Tl)シンチレータの低エネルギー原子核反跳における消光因子測定 (2022)
  • Author(s): 浦野雄介,伏見賢一,折戸玲子,黒澤俊介,向井啓祐,小西哲之
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [Presentation] 高純度NaI(Tl)検出器のバックグラウンド測定 (2022)
  • Author(s): 小寺健太,伏見賢一, D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 石浦宏尚, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [Presentation] 二重ベータ崩壊観測装置開発用の高感度Ｇｅ検出器開発 (2022)
  • Author(s): 岸田由美子,伏見賢一,梅原さおり，吉田斉,坂上陽俊
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [Presentation] PICOLON宇宙暗黒物質探索報告 (2021)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会(オンライン)
• [Presentation] BG measurement results of high purity NaI(Tl) crystals (2021)
  • Author(s): 小寺健太,伏見賢一, D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 石浦宏尚, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 次世代放射線シンポジウム(オンライン)
• [Presentation] 無機シンチレーターの高純度化による宇宙・素粒子物理学の展望 (2021)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 光検出器プラットフォーム研究会
• [Presentation] PICOLON dark matter search project (2021)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 17th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of the quenching factor in NaI(Tl) scintillator for dark matter search (2021)
  • Author(s): 浦野雄介,伏見賢一,折戸玲子,黒澤俊介,向井啓祐,小西哲之
  • Organizer: 17th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高純度NaI(Tl)による宇宙暗黒物質探索 (2021)
  • Author(s): 伏見賢一,D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 石浦宏尚, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀 真之, 小寺健太, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」
• [Presentation] 宇宙暗黒物質探索のための単色中性子を用いたNaI(Tl)の消光因子測定 (2021)
  • Author(s): 浦野雄介, 畑和実, 折戸玲子, 黒沢俊介, 伏見賢一, 小西哲之, Mahmoud Bakr, 向井啓介
  • Organizer: 研究会「放射線検出器とその応用」
• [Presentation] 高純度結晶～宇宙暗黒物質・二重β崩壊探索用無機シンチレーターの開発～ (2021)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 極低放射能技術研究会2021
  • Invited
• [Presentation] PICOLON宇宙暗黒物質探索 （NaI(Tl)の純化と宇宙暗黒物質探索実験） (2021)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 超高純度固体シンチレーターによる宇宙暗黒物質探索 (2020)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 研究会darkOnline
  • Invited
• [Presentation] シンチレーター原料の高純度化 (2019)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 新学術領域「地下宇宙」研究会
  • Invited
• [Presentation] PICOLON報告：超高感度NaI(Tl)検出器による宇宙暗黒物質の探索・全体計画 (2019)
  • Author(s): 伏見賢一,D. Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 金光佑太, A.Kozlov, 折戸玲子, 嶋達志, 梅原さおり, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] PICOLON報告：宇宙暗黒物質探索のためのNaI(Tl)結晶の高純度化 (2019)
  • Author(s): 金光佑太, D. Chernyak, 江尻宏泰, 伏見賢一, 硲隆太, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 畑和実, A.Kozlov, 折戸玲子, 嶋達志, 梅原さおり, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] PICOLON報告：宇宙暗黒物質探索のためのNaI(Tl)シンチレーターの中性子応答評価 (2019)
  • Author(s): 畑和実, D. Chernyak, 江尻宏泰, 伏見賢一, 硲隆太, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 金光佑太, A.Kozlov, 折戸玲子, 嶋達志, 梅原さおり, 保田賢輔, 吉田斉
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] High purity inorganic scintillator for astroparticle physics (2019)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 15 th International Conference on Scintillating Materials and their Applications, SINT 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PICOLON dark matter search (2019)
  • Author(s): 伏見賢一
  • Organizer: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics, TAUP2019
  • Int'l Joint Research
• [Book] 宇宙物理学入門 第3版 (2021)
  • Author(s): 伏見 賢一
  • Total Pages: 192
  • Publisher: 大学教育出版
  • ISBN: 9784866921341
• [Remarks] PICOLON Project
  • URL: https://www-phys.st.tokushima-u.ac.jp/project/index.php?id=1
• [Remarks] 1. PICOLON Fushimi (PICOLON計画公式ツイッター)
  • URL: https://twitter.com/PicolonF
• [Remarks] 2．PICOLON Project Home Page
  • URL: http://www-phys.st.tokushima-u.ac.jp/project/