Development of the liquid helium TPC with superconducting detectors and search for light dark matter

• Project/Area Number: 26287047
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Partial Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Ishino Hirokazu 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (90323782)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (00358293)
• Research Collaborator: Yamada Yousuke ; Kida Yousuke ; Hidehira Naoto ; Kibayashi Atsuko ; Kohjiro Satoshi ; Hirayama Fuminori
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2017: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2016: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2015: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2014: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: 暗黒物質 / 超伝導検出器 / 周波数領域多重化 / 力学的インダクタンス / 液体ヘリウム / TPC / 軽い暗黒物質 / 宇宙物理 / ヘリウムTPC

Outline of Final Research Achievements

We have developed photon sensors using superconducting material for the detection of scintillation light emitted from Helium atoms recoiled by dark matter particles. We have established a fabrication procedure to have about 3% uniformity for 50 detectors on 1cm silicon substrate. We have successfully read out photon 10 usec pulse signals for the 20 sensors using a single wire. We have demonstrated that the sensors developed so far have the potential sufficient for use of a search for dark matter particles with necessary conditions which we have identified.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果とし得られた大面積かつ高感度で極低温で作動する超伝導光検出器とその読み出しシステムは、本研究の主題である軽い暗黒物質探索のみならず、X線・γ線・中性子線といった放射線の高精度測定にも転用することができ、学術的波及効果は大きいと考える。半導体検出器では不可能であった可視光のみならず赤外線から紫外線の幅広い波長領域での量子イメージングを単一技術で可能となるので、社会的意義も大きいと考える。

Research Products

• [Journal Article] 等間隔共振周波数を目指したニオブ製集中定数型力学インダクタンス検出器の設計と制作の改善 (2019)
  • Author(s): 喜田洋介、石野宏和、山森弘毅、平山文紀、神代暁、樹林敦子、佐藤伸明
  • Journal Title: 低温工学 Volume: 54 Issue: 1 Pages: 33-36
  • DOI: 10.2221/jcsj.54.33
  • NAID: 130007596480
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Frequency-Domain Multiplexing Readout with a Self-Trigger System for Pulse Signals from Kinetic Inductance Detectors (2018)
  • Author(s): Y. Yamada, H. Ishino, A. Kibayashi, Y. Kida, N. Hidehira, K. Komatsu, M. Hazumi, N. Sato, K. Sakai, H. Yamamori, F. Hirayama, S. Kohjiro
  • Journal Title: Journal Low Temperature Physics Volume: 193 Issue: 3-4 Pages: 518-524
  • DOI: 10.1007/s10909-018-1911-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発 (2016)
  • Author(s): 喜田洋介、石野宏和、樹林敦子、山田要介、小松国幹、秀平直人、羽澄昌史、佐藤伸明、山森弘毅、平山文紀、神代暁
  • Journal Title: 信学技報 Volume: Vol. 116 No. 269 Pages: 13-18
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 超伝導検出器ＫＩＤ用高速多重同時読み出しシステム (2016)
  • Author(s): 山田要介、石野宏和、樹林敦子、喜田洋介、小松国幹、羽澄昌史、佐藤伸明、酒井和弘、神代暁、山森弘毅、平山文紀
  • Journal Title: 信学技報 Volume: Vol.116 No.269 Pages: 19-24
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 超伝導検出器KID用読み出しシステムーホモダイン形式によるパルス多重読み出し論理回路の開発ー (2015)
  • Author(s): 山田要介、石野宏和、樹林敦子、喜田洋介、舟木巧、羽澄昌史、佐藤伸明、神代暁、山森弘毅、平山文紀、酒井和弘
  • Journal Title: 信学技報 Volume: Vol. 115, No.242 Pages: 41-45
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発 (2015)
  • Author(s): 喜田洋介、石野宏和、樹林敦子、山田要介、舟木巧、羽澄昌史、佐藤伸明、神代暁、山森弘毅、平山文紀
  • Journal Title: 信学技報 Volume: Vol. 115, No. 242 Pages: 53-56
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of Microwave Kinetic Inductance Detectors for phonon and photon detections (2015)
  • Author(s): H. Ishino, A. Kibayashi, Y. Kibe, Y. Yamada, A. Okamoto, Y. Kida, M. Hazumi, N. Sato, H. Watanabe
  • Journal Title: PoS(TIPP2014) Volume: 090 Pages: 1-8
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] フォノン・フォトン検出用kinetic Inductance Detectors (2014)
  • Author(s): 石野宏和、樹林敦子、山田要介、岡本晃範、喜田洋介、羽澄昌史、佐藤伸明、神代暁、山森弘毅
  • Journal Title: 信学技報 IEICE Technical Report Volume: SCE2014-42 Pages: 43-47
  • Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(7) (2018)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学科
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた暗黒物質探索 (2018)
  • Author(s): 石野宏和
  • Organizer: アクティブ媒質TPC開発座談会
  • Invited
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(6) (2018)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学科、春季大会
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の性能評価(3) (2018)
  • Author(s): 秀平直人
  • Organizer: 日本物理学科、春季大会
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた暗黒物質探索 (2018)
  • Author(s): 石野宏和
  • Organizer: 日本物理学科、春季大会
  • Invited
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(4) (2017)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学会、春季大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器LEKIDの性能評価 (2017)
  • Author(s): 秀平直人
  • Organizer: 日本物理学会、春季大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] Study on Lumped Element Kinetic Inductance Detectors for Light Dark Matter Searches Using Liquid Helium (2017)
  • Author(s): Y. Kida
  • Organizer: 30th International Symposium on superconductivity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(3) (2017)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 超伝導エレクトロニクス研究会
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(5) (2017)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学会、秋季大会
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の性能評価(2) (2017)
  • Author(s): 秀平直人
  • Organizer: 日本物理学会、秋季大会
• [Presentation] Development of Lumped Element Kinetic Inductance Detectors for Light Dark Matter Searches using Liquid Helium (2017)
  • Author(s): Y. Kida
  • Organizer: Low Temperature Detector 17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた暗黒物質探索 (2017)
  • Author(s): 石野宏和
  • Organizer: CRCタウンミーティング
  • Invited
• [Presentation] Development of LEKID detectors for Light Dark Matter Searches using Liquid Helium (2016)
  • Author(s): Y. Kida
  • Organizer: 29th International Symposium on Superconductivity
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of superconducting Detectors for Dark Matter Searches using Liquid Helium (2016)
  • Author(s): H. Ishino
  • Organizer: 29th International Symposium on Superconductivity
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Kinetic Inductance Detectors to search for dark matter (2016)
  • Author(s): H. Ishino
  • Organizer: The 3rd International Workshop on Superconducting Sensors and Detectors
  • Place of Presentation: Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超伝導検出器KID用高速多重同時読み出しシステム (2016)
  • Author(s): 山田要介
  • Organizer: 超伝導エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 東北大学電気通信研究所
  • Year and Date: 2016-10-26
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(2) (2016)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 超伝導エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 東北大学電気通信研究所
  • Year and Date: 2016-10-26
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(3) (2016)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学会、秋季大会
  • Place of Presentation: 宮崎大学
  • Year and Date: 2016-09-21
• [Presentation] 超伝導検出器KID用パルス多重同時読み出しDAQシステムの開発 (2016)
  • Author(s): 山田要介
  • Organizer: 日本物理学会、秋季大会
  • Place of Presentation: 宮崎大学
  • Year and Date: 2016-09-21
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発(2) (2016)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Development of a readout system of Kinetic Inductance Detectors with FPGA self-triggering for pulsed events (2015)
  • Author(s): Yousuke Yamada
  • Organizer: B mode from Space
  • Place of Presentation: Kavli IPMU
  • Year and Date: 2015-12-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Lumped Element Kinetic Inductance Detectors for light detection (2015)
  • Author(s): Yosuke Kida
  • Organizer: B mode from Space
  • Place of Presentation: Kavli IPMU
  • Year and Date: 2015-12-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microwave Resonator, Frequency Domain Multiplexing, SQUID, Transition Edge Sensor, Microwave Kinetic Inductance Detector (2015)
  • Author(s): Hirotake Yamamori
  • Organizer: 28th International Symposium on Superconductivity, ISS 2015
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2015-11-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超伝導検出器KID用読み出しシステム ～ ホモダイン形式によるパルス多重同時読み出し論理回路の開発 ～ (2015)
  • Author(s): 山田要介
  • Organizer: 超伝導エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2015-10-08
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器(LEKID)の開発 (2015)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 超伝導エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2015-10-08
• [Presentation] 超伝導検出器KIDの周波数駆動多重読み出しシステムの開発 (2015)
  • Author(s): 山田要介
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
  • Year and Date: 2015-09-25
• [Presentation] 軽い暗黒物質探索用液体ヘリウムTPCに用いる超伝導検出器の開発 (2015)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
  • Year and Date: 2015-09-25
• [Presentation] Study on the Lumped Element Kinetic Inductance Detector for Photon Detection (2015)
  • Author(s): Hirokazu Ishino
  • Organizer: 15th International Superconducting Electronics Conference
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2015-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 軽い暗黒物質探索に用いる超伝導検出器と液体ヘリウムTPCの開発 (2015)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] FPGAを用いた超伝導検出器KID(Kinetic Inductance Detector)多重読み出しシステムの開発 (2015)
  • Author(s): 山田要介
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] フォノン・フォトン検出用KID (2014)
  • Author(s): 石野宏和
  • Organizer: 超伝導ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ研究会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2014-10-16 – 2014-10-17
• [Presentation] 軽い暗黒物質探索を目指した超伝導光検出器と液体ヘリウムを用いたTPCの開発の概要 (2014)
  • Author(s): 石野宏和
  • Organizer: 日本物理学科秋季大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-21
• [Presentation] 液体ヘリウムを用いた軽い暗黒物質探索用超伝導検出器の開発 (2014)
  • Author(s): 喜田洋介
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-21
• [Presentation] FPGAを用いた超伝導検出器KID(Kinetic Inductance Detector)用データ収集システムの概要 (2014)
  • Author(s): 山田要介
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-21
• [Presentation] Development of Microwave Kinetic Inductance Detector for phonon and photon detections (2014)
  • Author(s): Hirokazu Ishino
  • Organizer: Technology and Instrumentation in Particle Physics 2014
  • Place of Presentation: Amsterdam
  • Year and Date: 2014-06-02 – 2014-06-06