| 研究領域 | 地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化 |
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| 研究課題/領域番号 |
19H05809
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
吉田 斉 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (60400230)
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| 研究分担者 |
石徹白 晃治 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 准教授 (20634504)
岸本 康宏 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 教授 (30374911)
大谷 知行 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (50281663)
美馬 覚 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 研究員 (50721578)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
150,930千円 (直接経費: 116,100千円、間接経費: 34,830千円)
2023年度: 20,410千円 (直接経費: 15,700千円、間接経費: 4,710千円)
2022年度: 20,280千円 (直接経費: 15,600千円、間接経費: 4,680千円)
2021年度: 28,470千円 (直接経費: 21,900千円、間接経費: 6,570千円)
2020年度: 37,440千円 (直接経費: 28,800千円、間接経費: 8,640千円)
2019年度: 44,330千円 (直接経費: 34,100千円、間接経費: 10,230千円)
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| キーワード | 低温技術 / 二重ベータ崩壊 / 暗黒物質探索 / アクシオン / 超伝導検出器 / 極低温検出器 / ニュートリノ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本計画研究は、技術基盤として極低温技術を新たに取り入れることで、ニュートリノを放出しない二重ベータ(0νββ）崩壊探索の検出器の高感度化と暗黒物質探索の範囲拡大を図る。極低温下での温度上昇によるエネルギー測定を行う原理を利用した蛍光熱量計を開発し、0νββ崩壊のQ値領域でエネルギー分解能として20keV以下を実現する。標的材料として極低温下で超伝導状態になったアルミニウムなどを使用し、内部のクーパー対解離を検知することで、O(10eV)の低エネルギー信号測定を目指す。低温技術を利用して、強磁場超伝導共振空胴の開発を行い、通常よりも2桁以上高い共振空胴の増幅度(Q値)を実現する。
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| 研究実績の概要 |
直径50 mm×長さ50 mm円柱状のCaF2シンチレータ結晶に熱量読み出し用MMCセンサーと、光検出用MMCセンサーを実装した蛍光熱量計のデータ解析を進めた。熱・光信号の波形・波高・立ち上がりタイミング差などのParameterが各々相関を持っているため、パラメーターの多次元的解析が必要であるため、ニューラルネットを利用した機械学習プログラムによってエネルギー分解能の放射線反応位置依存性を解析的に除去し、分解能の改善に取り組み、わずかなエネルギー分解能の改善と今後、学習用の教師データの収集が進んだ場合の解析準備が整備できた。
超伝導センサーKIDを直接実装するという手法で、基盤をターゲットとしたユニークな検出器を開発している。シリコンやCaF2基板を使ったKID検出器に55FeのX線源を照射し、放射線による信号の確認とエネルギー較正を行った。
空洞開発として、1)高純度無酸素銅材の利用、2）超低誘電損失材料（高純度アルミナなど）の利用を軸に研究を進めた。特に純度６Nの超高純度銅、無酸素銅（C1101）の表面電解研磨、電気鋳造製の銅（アニールの有無も比較）という材料によるQ値の比較を実施し、Q＝4～6×10^4を得た。また、高純度アルミナを使った空胴では1.2×10^5という結果を得ることができた。
地下実験施設への極低BG希釈冷凍機のインストールに向けて、昨年度リークが発生したOVCの補修を完了し、地下実験室でのクリーンルームの整備、電力、冷却水などの準備を完了し、地下実験室にて極低温・低バックグラウンドの測定器開発の準備が進んだ。
また、新たな取り組みとして、SSPDを使った宇宙暗黒物質探索用検出器の試作研究と半導体量子デバイスの放射線応答を調査する研究を開始することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
新型コロナウィルスの影響で、韓国との共同研究としてCaF2蛍光熱量計を進めるうえで、渡航が困難であったため、大阪大学の希釈冷凍機を使って、同じ測定ができるよう設備の整備を進めた。MMC信号読み出し用のエレキの調達をはじめ、信号ケーブル張替えなどの準備を進めた。SQUID量子センサーが半導体材料供給不足の影響で年度内の調達が困難であったため、準備は完了しなかったが調達（納期）の見通しはできている。
冷凍機の地下実験室への移設を計画していたが、リーク発生などの問題もあり、地上で行うべき開発が遅れたことで、移設を2022年夏に遅らせることとした。
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| 今後の研究の推進方策 |
SQUID量子センサーの納品（2023年1月）が完了したら、大阪大学にて、直径50 mm×長さ50 mm円柱状のCaF2シンチレータ結晶に熱量読み出し用MMCセンサーと、光検出用MMCセンサーを実装した蛍光熱量計を実現して再現測定を行い、エネルギー分解能の目標値達成に向けた、検出器開発を加速させる。
低エネルギー閾値の極低温検出器を実現するため、KID検出器の最低検出エネルギー（エネルギー閾値）を下げることを目標に、デバイス開発を継続して進めるとともに、地下実験室での冷凍機運転を実現して、地下実験室での低温検出器による環境バックグラウンド測定を実施する。
超伝導（ニオブチタンなど）薄膜材を利用した空洞を製作して、高いQの実現を目指す。併せて高純度銅製空洞の表面処理やアニーリング条件の最適化を行い、Q値の向上を図る。
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