超高感度NaI(Tl)検出器による宇宙暗黒物質の探索

• 研究課題/領域番号: 19H00688
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 伏見 賢一 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (90274191)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 46,150千円 (直接経費: 35,500千円、間接経費: 10,650千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円); 2019年度: 24,310千円 (直接経費: 18,700千円、間接経費: 5,610千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

宇宙暗黒物質を探索するために、高純度のNaI(Tl)検出器を開発した。当初の計画では質量約6 kgの大型結晶を複数個製造して測定感度を向上させる予定であった。研究計画を推進する中で、結晶の更なる高純度化が必要となったため、方針を変更して高純度化を推進することとなった。
NaI(Tl)結晶の高純度化のために原料の純化行程を詳細に検討し、再結晶化による放射性カリウムの除去と、イオン交換樹脂による放射性鉛の除去を組み合わせたハイブリッド型純化方法を開発した。その結果、鉛210などの純度について目標を達成し、将来の大型化による高感度化への道筋を切り開くことに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

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。

研究成果

• [国際共同研究] University of Alabama(米国)
• [国際共同研究] National Research Nuclear University(ロシア連邦)
• [国際共同研究] University of Alabama(米国)
• [国際共同研究] National Research Nuclear Univ.(ロシア連邦)
• [国際共同研究] University of Alabama/University of California Berkeley(米国)
• [国際共同研究] Univ. of Alabama/Lawrence Berkeley National Laboratory/University of Hawaii at Manoa(米国)
• [国際共同研究] Moscow Engineering Physics Institute(ロシア連邦)
• [雑誌論文] 高純度ヨウ化ナトリウムの結晶育成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: 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」 巻: 40
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low background measurement in CANDLES-III for studying the neutrinoless double beta decay of 48Ca (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 号: 9 ページ: 092008-092008
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.092008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of highly radiopure NaI(Tl) scintillator for PICOLON dark matter search project (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: ptab020 号: 4 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Study on Energy Resolution of CANDLES Detector (2021)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 68 号: 3 ページ: 368-378
  • DOI: 10.1109/tns.2021.3054788
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for Low-energy Electron Antineutrinos in KamLAND Associated with Gravitational Wave Events (2021)
  • 著者名/発表者名: Abe S.、Asami S. et al., KamLAND Collaboration
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 909 号: 2 ページ: 116-116
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd5bc
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Purification of the NaI(Tl) crystal for dark matter search project PICOLON (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 号: 1 ページ: 012054-012054
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012054
  • NAID: 120006952366
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Precision Analysis of the 136Xe Two-Neutrino beta beta Spectrum in KamLAND-Zen and Its Impact on the Quenching of Nuclear Matrix Elements (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Gando et al. (KamLAND-Zen Collaboration)
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 122 号: 19 ページ: 192501-192501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.192501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of the scimtillation response of neutron satterin in NaI(Tl) scintillator for dark matter search (2019)
  • 著者名/発表者名: K.Hata, E.Choi, K.Fushimi, R.Orito
  • 雑誌名: Proc. 33rd Workshop on Radiation Detectors and Their Uses, KEK Proceedings 2019-4 巻: 1 ページ: 69-76
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 浦野雄介、川合洋平、小寺健太、折戸玲子、伏見賢一
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2022年春季大会
• [学会発表] Background analysis of NaI(Tl) crystals for the development of new PICOLON detector (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics UGAP2022
  • 国際学会
• [学会発表] Quenching factor measurement in low-energy nuclear recoil of NaI(Tl) scintillator using monochromatic neutrons for dark matter search (2022)
  • 著者名/発表者名: Y.Urano, Y.Kawai, K.Fushimi, K.Hata, S.Konishi, S.Kurosawa, K.Mukai, Y.Ogino, R.Orito, T.Sakabe
  • 学会等名: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics UGAP2022
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2022)
  • 招待講演
• [学会発表] PICOLON宇宙暗黒物質探索の現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2022)
  • 招待講演
• [学会発表] PICOLON報告～NaI(Tl)検出器による宇宙暗黒物質の現状と計画～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会(オンライン)
• [学会発表] PICOLON高純度NaI(Tl)結晶のバックグラウンド測定結果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会(オンライン)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 浦野雄介,伏見賢一,折戸玲子,黒澤俊介,向井啓祐,小西哲之
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [学会発表] 高純度NaI(Tl)検出器のバックグラウンド測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 岸田由美子,伏見賢一,梅原さおり，吉田斉,坂上陽俊
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」（第36回）（オンライン）
• [学会発表] PICOLON宇宙暗黒物質探索報告 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会(オンライン)
• [学会発表] BG measurement results of high purity NaI(Tl) crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 次世代放射線シンポジウム(オンライン)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 光検出器プラットフォーム研究会
• [学会発表] PICOLON dark matter search project (2021)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 17th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of the quenching factor in NaI(Tl) scintillator for dark matter search (2021)
  • 著者名/発表者名: 浦野雄介,伏見賢一,折戸玲子,黒澤俊介,向井啓祐,小西哲之
  • 学会等名: 17th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 超高純度NaI(Tl)による宇宙暗黒物質探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 極低放射能技術研究会2021
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 研究会darkOnline
  • 招待講演
• [学会発表] シンチレーター原料の高純度化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 新学術領域「地下宇宙」研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] High purity inorganic scintillator for astroparticle physics (2019)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 15 th International Conference on Scintillating Materials and their Applications, SINT 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] PICOLON dark matter search (2019)
  • 著者名/発表者名: 伏見賢一
  • 学会等名: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics, TAUP2019
  • 国際学会
• [図書] 宇宙物理学入門 第3版 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伏見 賢一
  • 総ページ数: 192
  • 出版者: 大学教育出版
  • ISBN: 9784866921341
• [備考] PICOLON Project
  • URL: https://www-phys.st.tokushima-u.ac.jp/project/index.php?id=1
• [備考] 1. PICOLON Fushimi (PICOLON計画公式ツイッター)
  • URL: https://twitter.com/PicolonF
• [備考] 2．PICOLON Project Home Page
  • URL: http://www-phys.st.tokushima-u.ac.jp/project/