| 研究課題/領域番号 |
20H00153
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 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
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
高橋 忠幸 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (50183851)
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| 研究分担者 |
松本 重貴 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (00451625)
Melia Thomas 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 准教授 (30814909)
渡辺 伸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (60446599)
内山 泰伸 立教大学, 人工知能科学研究科, 教授 (00435801)
米田 浩基 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (30881867)
Caradonna Pietro 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任研究員 (10846520)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 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 |
43,550千円 (直接経費: 33,500千円、間接経費: 10,050千円)
2023年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
2022年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円)
2021年度: 11,440千円 (直接経費: 8,800千円、間接経費: 2,640千円)
2020年度: 11,570千円 (直接経費: 8,900千円、間接経費: 2,670千円)
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| キーワード | ガンマ線天文学 / コンプトンカメラ / ダークマター / 多価イオン / ガンマ線偏光 / 多価重イオン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
感度のギャプに埋もれて進展が妨げられている数100keVから数MeVの領域での宇宙物理学観測に革新をもたらすための新たなガンマ線宇宙望遠鏡の研究を行う。このエネルギー領域は、ブラックホールや低エネルギー宇宙線の研究、ダークマター探査などにおいて、極めて重要であるが、現在、観測ミッションが存在しない。本研究では、次世代半導体コンプトンカメラによるMeVガンマ線観測技術の確立をめざすと同時に、ダークマター探査のための理論研究を行う。
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| 研究実績の概要 |
高橋、渡辺は将来のMeVガンマ線観測に向けて電子飛跡追跡型のSi/CdTeコンプトンカメラの開発を進めた。電子の飛跡情報を用いることでより高い感度を得ることを目的に我々が開発したCMOSリードアウトICと両面型Si検出器とを接合したハイプリッド型センサーを用いて電子飛跡を取得し、電子の入射点と散乱方向を求めるアルゴリズムを開発した。これに2mm厚のCdTe両面ストリップ検出器（CdTe DSD）を組み合わせたSi/CdTeコンプトンカメラによる試験を行い、電子飛跡の情報を用いてバックグランドを低減可能なことを示した。CdTe DSDにおいて, 60ミクロン以下のサブストリップ位置分解能をえるための研究として様々なギャップを持つ検出器を試作し, 実験を行なった。高橋、内山はブラックホール天体などの高エネルギー天体に関してX線天文衛星やH.E.S.S.チェレンコフ望遠鏡のデータ解析を進めた。松本は弱電荷を持つ暗黒物質の研究を発展させた。特に、弱電荷を持つ熱的暗黒物質として、そのスピンが半整数である候補がこれまで精力的に議論されてきたが、今回は、そのスピンが整数、とくにスカラー粒子の場合について、包括的に研究を行った。その結果、フェルミオン暗黒物質との類似がある一方、その探査において、ガンマ線観測を用いた間接探査と共に地下実験における直接探査が重要な役割を果たすことを明らかにした。松本、Meilaは、近い将来のCOSI探査における暗黒物質探査の感度についての評価を行い、粒子暗黒物質の間接検出に関するSnowmass report（米国）に採用された。高橋、松本、MeliaはCOSI衛星プロジェクトにおけるNew Ideas Scienceグループの共同リーダーとして、COSIの感度を考慮した上で、MeVガンマ線を放出するような暗黒物質の探索戦略をたてる作業を進めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
我々が開発を進めてきた多層型半導体コンプトンカメラの原子物理学への応用を進めることができている。電気通信大学にある電子ビームイオントラップ(Tokyo-EBIT)にトラップした水素状クリプトンイオンからの電子再結合Ｘ線の偏光の測定をこれまでにない感度で測定を行うことに成功した。今後、様々なターゲットを用いた観測を進める準備が整えることができた。コンプトンカメラにおいてより感度を向上させるための散乱電子の飛跡情報を得ることのできるSiセンサーや厚型のCdTeセンサーなどの開発を進めている。本研究では、具体的なMeV観測を行うために、NASAのSMEXプログラムに採用された次期MeVガンマ線ミッションのCOSI衛星(2027年打ち上げ予定)に参加することができている。 COSI衛星への参加では位置検出型のGe半導体コンプトンカメラのパイプライン解析ソフトや同時に搭載されるバックグランドモニター装置（BTO）の開発への貢献を行うと共に、COSI衛星を通じて、将来のMeV観測衛星に向けた知見を得ることを目的としている。高橋、松本、MeliaはCOSI衛星プロジェクトにおけるNew Ideas Scienceグループの共同リーダーとして、COSIの感度を考慮した上で、MeVガンマ線を放出するような暗黒物質の探索戦略をたてる作業を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
我々が世界に先駆けて開発を進めているCMOS-SiハイブリッドセンサーにADCを実装することで電子飛跡追跡型のSi/CdTeコンプトンカメラの高度化をはかる。多価重イオンのエネルギー準位や相互作用にあらわれる量子電磁力学効果の検証のため、Si/CdTeコンプトンカメラを用いた実験を継続する。 理化学研究所のペレトロン加速器を用いて原子核実験を行い、偏光測定を実施する。MeVガンマ線天文衛星COSI衛星のサイエンス検討に参加する。COSIのダークマターサブグループとしてMeV領域でのダークマター探査について戦略をたてる。搭載されるバックグランド検出器（BTO）に関して、重イオンを用いた実験を計画する。この実験により、バックグランド測定やシールドに用いられる無機シンチレータに高エネルギーイオンが入射して発生することが予想されるアフターパルスなどの反応の多寡を調べる。衛星搭載と同等な光検出器と共に試験し、重イオン入射の際に発生する信号を直接記録し、大信号に対する禁止信号や不感時間計測のための回路設計、整形アンプなどの信号処理用電子回路の最適化を行うためのデータを取得する。これにより現在進めている詳細設計に反映させる。
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