先端中性分子検出器で探る宇宙環境中での負イオンの化学反応

• 研究課題/領域番号: 20K15238
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分32010:基礎物理化学関連
• 研究機関: 東京都立大学 (2021-2022); 国立研究開発法人理化学研究所 (2020)
• 研究代表者: 奥村 拓馬 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (70855030)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 超伝導検出器 / 中性分子検出器 / イオン蓄積リング / 負イオン / 星間分子反応 / 原子分子物理 / 負イオン共鳴状態

研究開始時の研究の概要

近年の観測から、宇宙空間には従来の予想を大きく超える量の分子負イオンが存在することが分かってきた。宇宙空間における分子負イオンの化学を解き明かすべく、本研究では、宇宙環境を実験室で再現し、負イオンの光解離反応の直接観測を行う。本研究では、地上での宇宙環境構築のために最先端技術である極低温静電型イオン蓄積リングを導入し、また近年躍進的発展を遂げている超伝導検出器TESを世界で初めて中性分子検出のために利用する。本研究は、宇宙における分子進化を解明するための礎となるだけでなく、新たな先端検出器の導入により分子科学の常識を一変させるものとなる。

研究成果の概要

本研究の目的は、理研で開発した極低温静電型イオン蓄積リングRICEと超伝導転移端マイクロカロリメータ（TES）を組み合わせて汎用的な中性分子検出システムを開発し、それを用いて宇宙環境下における負イオンの光化学反応の直接観測を行うことである。研究開始当時、TESを中性分子検出器として利用するのは世界の初の試みであったが、本研究ではその原理実証に世界に先駆けて成功し、実際に二原子分子イオンの解離過程の観測も行った。しかしながら、TES中性分子検出システムの質量分解能は、一般的な化学反応計測に適用するにはいまだ十分ではなく、現在更なる改良を進めている。

研究成果の学術的意義や社会的意義

中性分子を高質量分解能検出する技術はこれまでいくつか考案されているが、適用可能な分子が限定されるなど問題点も多く、汎用的で高質量分解な中性分子検出法が長く切望されてきた。本研究で原理実証に成功したTESによる中性分子検出器は、適用可能な分子に制限はなく、更なる分解能の向上を実現できれば汎用中性分子検出器として極めて有望である。本研究による新たな中性分子検出技術の確立は、化学反応の実験研究の常識を一変させることに繋がり、また基礎物理化学を超えて工学や生物学など広く他分野にまで影響が波及することが期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] NIST(米国)
• [国際共同研究] NIST(米国)
• [国際共同研究] NIST(米国)
• [雑誌論文] Proof-of-Principle Experiment for Testing Strong-Field Quantum Electrodynamics with Exotic Atoms: High Precision X-Ray Spectroscopy of Muonic Neon (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, T. Azuma, D. A. Bennett, I. Chiu, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T. Hashimoto, R. Hayakawa, G. C. Hilton, Y. Ichinohe, P. Indelicato, T. Isobe, S. Kanda, M. Katsuragawa, N. Kawamura, Y. Kino, K. Mine, Y. Miyake, K. M. Morgan, K. Ninomiya et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130 号: 17 ページ: 173001-173001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.173001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-sensitive XANES analysis at Ce L2-edge for Ce in bauxites using transition-edge sensors: Implications for Ti-rich geological samples (2023)
  • 著者名/発表者名: Li Wenshuai、Yamada Shinya、et al.
  • 雑誌名: Analytica Chimica Acta 巻: 1240 ページ: 340755-340755
  • DOI: 10.1016/j.aca.2022.340755
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic K x rays emitted from muonic atoms: An application of relativistic density-functional theory (2023)
  • 著者名/発表者名: XM Tong, D Kato, T Okumura, S Okada, and T Azuma
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 107 号: 1 ページ: 012804-012804
  • DOI: 10.1103/physreva.107.012804
  • 査読あり
• [雑誌論文] The cerium isotope fingerprints of redox fluctuation in bauxites (2023)
  • 著者名/発表者名: W. Li, X. M. Liu, R. Nakada, Y. Takahashi, Y. Hu, M. Shakouri, Z. Zhang, T. Okumura, S. Yamada
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 602 ページ: 117962-117962
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117962
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Application of Deep Learning to the Evaluation of Goodness in the Waveform Processing of Transition-Edge Sensor Calorimeters (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Ichinohe et al.
  • 雑誌名: J. Low Temp. Phys. 巻: - 号: 5-6 ページ: 02719-02719
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02719-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deexcitation Dynamics of Muonic Atoms Revealed by High-Precision Spectroscopy of Electronic K X Rays (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 号: 5 ページ: 053001-053001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.053001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamical Response of Transition-Edge Sensor Microcalorimeters to a Pulsed Charged-Particle Beam (2021)
  • 著者名/発表者名: Okumura Takuma、Azuma Toshiyuki、Bennett Douglas A.、Caradonna Pietro、Chiu I-Huan、Doriese W. Bertrand、Durkin Malcolm S.、Fowler Joseph W.、Gard Johnathon D.、Hashimoto Tadashi、Hayakawa Ryota、Hilton Gene C.、Ichinohe Yuto、Indelicato Paul et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 31 号: 5 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3067793
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transition-Edge Sensor Optimization for Hard X-ray Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Yan Daikang、Yamada Shinya、et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 31 号: 5 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2021.3059972
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ミュオニックAr多価イオンの形成ダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 宇宙環境下における分子イオン反応の観測を目指して：超伝導検出器による質量分析 IV (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] H, He, Li様ミュオニックAr原子の形成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] High-resolution spectroscopy of electronic K x rays from muonic atoms (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura
  • 学会等名: 20th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 宇宙環境下における分子イオン反応の観測を目指して：超伝導検出器による質量分析III (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 超伝導転移端検出器を用いた中性分子検出器の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 須田博貴
  • 学会等名: 原子衝突学会第46回年会
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙環境下における分子イオン反応の観測: 超伝導検出器による質量分析II (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 超伝導カロリメータを用いた低温下の星間分子計測実験 (2) (2021)
  • 著者名/発表者名: 須田博貴
  • 学会等名: 日本天文学会2021年春季年会
• [学会発表] 宇宙環境下における分子イオン反応の観測を目指して：超伝導検出器による質量分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥村拓馬
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 超伝導転移端検出器による中性分子の質量分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 須田博貴
  • 学会等名: 原子衝突学会第45回年会