高圧キセノンを用いた方向感度と大質量を両立する究極の暗黒物質探索実験の原理検証

• 研究課題/領域番号: 18K13567
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 東北大学 (2021); 東京大学 (2020); 神戸大学 (2018-2019)
• 研究代表者: 中村 輝石 東北大学, 理学研究科, 助教 (80750463)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: ダークマター / キセノンガス / TPC / 柱状再結合 / キセノン / 放射線検出器 / 飛跡 / 中性子 / 暗黒物質 / ガス検出器

研究成果の概要

暗黒物質検出において、大質量と方向感度を両立できる手法として、高圧キセノンガスTPCで柱状再結合現象を応用する、というものがある。本研究では、5MeVのα線で柱状再結合が起きることを確認した結果について論文にまとめた。また、低エネルギーの原子核反跳での柱状再結合の測定を視野に入れ、中性子ビーム試験を実施した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

柱状再結合現象が荷電粒子の角度に応じた変化があるかどうかは、検出器の新しい使い方をする上で興味深い測定と考えている。今回、5MeVのα線での観測に成功しており、本研究期間中に系統的な誤差について評価を行い査読付き論文としての出版ができた点が1つ目の成果となる。また、実際の暗黒物質探索への応用を見据え、中性子ビーム試験の実施準備を完遂させた。コロナの影響で試験自体が本研究期間を少し過ぎてしまったが、試験によるデータ取得も問題なく実施することができた。

研究成果

• [雑誌論文] Energy deposition on nuclear emulsion by slow recoil ions for directional dark matter searches (2022)
  • 著者名/発表者名: Hitachi Akira、Mozumder A.、Nakamura Kiseki D.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 105 号: 6 ページ: 063014-063014
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.063014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection capability of the Migdal effect for argon and xenon nuclei with position-sensitive gaseous detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Kiseki D、Miuchi Kentaro、Kazama Shingo、Shoji Yutaro、Ibe Masahiro、Nakano Wakutaka
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021 号: 1
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa162
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Design and performance of a high-pressure xenon gas TPC as a prototype for a large-scale neutrinoless double-beta decay search (2020)
  • 著者名/発表者名: Ban S、Hirose M、Ichikawa A K、Iwashita Y、Kikawa T、Minamino A、Miuchi K、Nakadaira T、Nakajima Y、Nakamura K D、Nakamura K Z、Nakaya T、Obara S、Sakashita K、Sekiya H、Sugashima B、Tanaka S、Ueshima K、Yoshida M
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2020 号: 3
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa030
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Angular dependence of columnar recombination in high pressure xenon gas using time profiles of scintillation emission (2018)
  • 著者名/発表者名: K.D. Nakamura, S. Ban, M. Hirose, A.K. Ichikawa, Y. Ishiyama, A. Minamino, K. Miuchi, T. Nakaya, H. Sekiya, S. Tanaka and K. Ueshima
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 13 号: 07 ページ: P07015-P07015
  • DOI: 10.1088/1748-0221/13/07/p07015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] キセノンガス検出器を用いたミグダル効果観測に向けた中性子ビーム試験結果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村輝石
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] 希少事象探索にむけた高圧キセノンガスによる放射線検出器開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村輝石
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会 シンポジウム講演
• [学会発表] ガス検出器を用いたミグダル事象の観測可能性について (2020)
  • 著者名/発表者名: 中村輝石、身内賢太朗、伊部昌宏、風間慎吾
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会
• [学会発表] 高圧キセノンガス検出器による原子核反跳の測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中村輝石、市川温子、中家剛、小原脩平、潘晟、吉田将、中村和広、菅島文悟
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] Columnar recombination study in high pressure xenon gas for direction-sensitive dark matter search (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiseki Nakamura, A.K.Ichikawa, T.Nakaya, T.Kikawa, S.Obara, Y.Ishiyama, S.Ban, S.Tanaka, K.Z.Nakamura, M.Yoshida, M.Hirose, Y.Iwashita, A.Minamino, H.Sekiya, Y.Nakajima, K.Ueshima, K.Miuchi, K.Sakashita, T.Nakadaira
  • 学会等名: DBD18
  • 国際学会
• [学会発表] Angular dependence of columnar recombination in high pressure xenon gas using time profile of scintillation emission (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiseki Nakamura for the AXEL collaboration
  • 学会等名: XeSAT2018
  • 国際学会
• [備考] ミグダル観測検討会2020
  • URL: https://ppwww.phys.sci.kobe-u.ac.jp/~newage/migdal2020/index.html
• [備考]
  • URL: https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/research/Neutrino/AXEL/index.html