Search for dark matter in unexplored regions with directional sensitivity using super-fine-grained nuclear emulsion

• Project/Area Number: 22KJ3234
• Project/Area Number (Other): 22J01541 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Toho University
• Principal Investigator: 白石 卓也 東邦大学, 理学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 暗黒物質 / 原子核乾板 / 中性子 / ナノ粒子発光

Outline of Research at the Start

暗黒物質の存在は様々な宇宙スケールにおける独立観測から絶対的なものである。本研究では、100nmの空間分解能を持つ超微粒子原子核乾板を用い、暗黒物質候補WIMPによって期待される反跳原子核を方向感度を持って探索することが目的である。その際、乾板中のAgBr:Iナノ結晶によるNaI:Tlシンチレータ並みの高効率な発光現象に着目し、発光をトリガーとした新しい飛跡検出手法の開発を行い、暗黒物質探索限界のブレークスルーを目指す。同時に、この検出器の特徴を生かし、低バックグラウンド実験において重要なsub-MeV以上の環境中性子のスペクトル・到来方向測定や、宇宙線によって加速された暗黒物質の探索も行う。

Outline of Annual Research Achievements

超微粒子原子核乾板による100keV以上の反跳陽子トラッキングを用いたBoosted WIMP探索および中性子測定のために、まず光学顕微鏡自動解析システムの高速化を行った。高速撮像カメラの導入、画像処理時のGPUの有効活用、対物レンズの低倍率化等を行うことで、一台当たり年間30gだった解析速度を年間500gまで向上させた。また、3次元トラッキングアルゴリズムの改良を行い、飛程や角度の自動測定精度を向上させた。このシステムを用い、産総研・中性子標準場施設で3H(p n)3He反応から放出される880 keV単色中性子を照射したサンプルを解析した。検出された反跳陽子の運動学的パラメータはシミュレーションによる予測と極めてよく一致し、sub-MeV帯においてもかなり詳細な中性子の情報が得られることを示した。
次に、イタリア・グランサッソ研究所地上施設において環境中性子測定を実施した。sub-MeV帯中性子信号として陽子弾性散乱のみ解析を行い、μ粒子による大気での中性子生成モデル（PARMAモデル）と無矛盾なフラックスおよびスペクトル・方向分布の測定結果が得られた。以上の結果をPhysical Review Cへ投稿し、現在はグランサッソ地下での中性子スペクトル測定を推進している。
また、もう一つの目的である乾板中のAgBr:I結晶の発光の研究については、WIMPの疑似信号として低速イオンによる発光の基礎研究を行うために、神奈川大学のイオン注入装置を用いた測定系の開発を行った。独自設計したチャンバーを新規導入し、光電子増倍管と分光器による高感度スペクトル測定、照射位置を変えるための2軸駆動系付きイオンマスク、ドーズ量モニターなどの開発を行った。今後、MPPCをチャンバー内に導入し、光電子増倍管とのコインシデンスをとることで、イオン照射時の発光特性をさらに精密に調べていく予定である。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] グランサッソ研究所/ナポリ大学/ローマ大学(イタリア)
• [Journal Article] Environmental sub-MeV neutron measurement at the Gran Sasso surface laboratory with a super-fine-grained nuclear emulsion detector (2023)
  • Author(s): Shiraishi T.、Akamatsu S.、Naka T.、Asada T.、De Lellis G.、Tioukov V.、Rosa G.、Kobayashi R.、D'Ambrosio N.、Alexandrov A.、Sato O.
  • Journal Title: Physical Review C Volume: 107 Issue: 1 Pages: 014608-014608
  • DOI: 10.1103/physrevc.107.014608
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] グランサッソ研究所での超微粒子原子核乾板を用いた環境中性子スペクトル測定 (2023)
  • Author(s): 白石卓也、赤松咲耶、中竜大、浅田貴志、V. Tioukov、G. De Lellis、G. Rosa、小林龍太、佐伯加奈、陳夏姫、ダウディ由莉香、N. D'Ambrosio、A. Alexandrov、佐藤修、他NEWSdmコラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 超微粒子原子核乾板を用いたグランサッソでの環境中性子測定 (2022)
  • Author(s): 白石卓也、赤松咲耶、中竜大、浅田貴志、V. Tioukov、G. Rosa、小林龍太、G. De Lellis、佐藤修、久下謙一、他NEWSdmコラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Environmental Sub-MeV Neutron Measurement in Gran Sasso with Ultra Fine-grained Nuclear Emulsion (2022)
  • Author(s): T. Shiraishi
  • Organizer: International Workshop UGAP2022
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 暗黒物質解明をめぐる究極の物理探索の過程で生まれた、中性子の革新的イメージング技術
  • URL: https://www.jsap.or.jp/docs/pressrelease/JSAP-2022autumn-chumoku-12.pdf