高精度エアロゲルチェレンコフイメージングによる銀河宇宙線伝播モデルの精密検証

• 研究課題/領域番号: 21K03584
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 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: 千葉大学
• 研究代表者: 田端 誠 千葉大学, 大学院理学研究院, 特任研究員 (10573280)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2021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: シリカエアロゲル / チェレンコフ輻射体 / リングイメージングチェレンコフ検出器 / 屈折率 / 透過率 / 宇宙線 / HELIX / 放射線検出器 / チェレンコフ検出器 / 宇宙線同位体比 / 宇宙線実験

研究開始時の研究の概要

未解明の銀河宇宙線伝播機構の理論モデルに強い制限を与えるため、核子あたり1～10GeVの高エネルギー宇宙線の軽元素同位体存在比（特にBe-10/Be-9）のエネルギー依存性を高統計精度で精密測定する。長期気球に荷電粒子測定システムを搭載し、一次宇宙線の高統計データを収集する。宇宙線粒子の運動量と速度の測定から質量を4σ以上の分解能で決定し、同位体核種を同定する。高性能なリングイメージングチェレンコフ検出器を開発し、高エネルギー領域において粒子の速度を0.1%の精度で決定する。幅広いエネルギー領域に対応するため、屈折率が1.15および1.03のシリカエアロゲルを輻射体として開発する。

研究成果の概要

極域長期周回気球に搭載し、大気圏外で一次宇宙線荷電粒子の核種を識別するチェレンコフ検出器のアップグレードに向けて、輻射体となる新しいシリカエアロゲルを開発した。宇宙線核種を精度良く識別するために、チェレンコフ検出器ではエアロゲルから輻射されるチェレンコフ光をより多く捉えることが必要である。エアロゲルにおける光の伝播は、その屈折率や光透過性などの物性に強く依存する。屈折率が1.03に精度よく制御され、これまでで最も透明な疎水性エアロゲルの製作に成功し、検出器への実装に向けた基礎研究を完了した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

銀河系内における宇宙線の伝播機構は未だ完全には解明されておらず複数の理論モデルが提案されているが、観測データの不足によりモデルの正当性を評価できていない。高エネルギー領域においては宇宙線粒子の軽元素同位体存在比に対して各々の理論モデルが異なる予言を与え、その精密測定は伝播機構の解明への鍵となる。本研究で新たに開発した屈折率1.03のエアロゲルを実装したチェレンコフ検出器を用いて観測を進めることにより、理論モデルに強い制限を与えることができる。また、この屈折率のエアロゲルは汎用性が高く、様々なチェレンコフ検出器への応用が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] McGill University/Queen's University(カナダ)
• [国際共同研究] University of Chicago(米国)
• [国際共同研究] Queen's University/McGill University(カナダ)
• [国際共同研究] University of Chicago(米国)
• [国際共同研究] Queen's University/McGill University(カナダ)
• [国際共同研究] University of Chicago(米国)
• [雑誌論文] The High Energy Light Isotope eXperiment program of direct cosmic-ray studies (2024)
  • 著者名/発表者名: Coutu S.、Allison P.S.、Baiocchi M.、Beatty J.J.、Beaufore L.、Calderon D.H.、Castano A.G.、Chen Y.、Green N.、Hanna D.、Jeon H.B.、Klein S.B.、Kunkler B.、Lang M.、Mbarek R.、McBride K.、Mognet S.I.、Musser J.、Nutter S.、O'Brien S.、Park N.、Powledge K.M.、Sakai K.、Tabata M.、et al.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 19 号: 01 ページ: C01025-C01025
  • DOI: 10.1088/1748-0221/19/01/c01025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron-beam calibration of aerogel tiles for the HELIX RICH detector (2023)
  • 著者名/発表者名: Allison P.、Baiocchi M.、Beatty J.J.、Beaufore L.、Calderone D.H.、Chen Y.、Coutu S.、Ellingwood E.、Green N.、Hanna D.、Jeon H.B.、Mbarek R.、McBride K.、Mognet I.、Musser J.、Nutter S.、O’Brien S.、Park N.、Rosin T.、Tabata M.、Tarle G.、Visser G.、Wakely S.P.、Yu M.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1055 ページ: 168549-168549
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168549
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cosmic-ray Isotope Measurements with HELIX (2023)
  • 著者名/発表者名: Wakely S.、Allison P.S.、Baiocchi M.、Beatty J.J.、Beaufore L.、Calderon D.H.、Castano A.G.、Chen Y.、Coutu S.、Green N.、Hanna D.、Jeon H.、Klein S.B.、Kunkler B.、Lang M.、Mbarek R.、McBride K.、Mognet I.、Musser J.、Nutter S.、O'Brien S.、Park N.、Powledge K.M.、Sakai K.、Tabata M.、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of Science 巻: 444 ページ: 118-118
  • DOI: 10.22323/1.444.0118
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Design and Status of the HELIX Ring Imaging Cherenkov Detector and Hodoscope Systems (2023)
  • 著者名/発表者名: Jeon H.、Allison P.S.、Baiocchi M.、Beatty J.J.、Beaufore L.、Calderon D.H.、Castano A.G.、Chen Y.、Coutu S.、Green N.、Hanna D.、Klein S.B.、Kunkler B.、Lang M.、Mbarek R.、McBride K.、Mognet I.、Musser J.、Nutter S.、O'Brien S.、Park N.、Powledge K.M.、Sakai K.、Tabata M.、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of Science 巻: 444 ページ: 121-121
  • DOI: 10.22323/1.444.0121
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The HELIX Drift Chamber Tracker design and implementation (2023)
  • 著者名/発表者名: McBride K.、Allison P.S.、Baiocchi M.、Beatty J.J.、Beaufore L.、Calderon D.H.、Castano A.G.、Chen Y.、Coutu S.、Green N.、Hanna D.、Jeon H.、Klein S.B.、Kunkler B.、Lang M.、Mbarek R.、Mognet I.、Musser J.、Nutter S.、O'Brien S.、Park N.、Powledge K.M.、Sakai K.、Tabata M.、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of Science 巻: 444 ページ: 123-123
  • DOI: 10.22323/1.444.0123
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-quality aerogel Cherenkov radiators recently developed in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Makoto Tabata
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2374 号: 1 ページ: 012114-012114
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2374/1/012114
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calibration of Aerogel Tiles for the HELIX-RICH Detector (2021)
  • 著者名/発表者名: P.Allison, J.J.Beatty, L.Beaufore, Y.Chen, S.Coutu, E.Ellingwood, M.Gebhard, N.Green, D.Hanna, B.Kunkler, I.Mognet, R.Mbarek, K.McBride, K.Michaels, D.Muller, J.Musser, S.Nutter, S.O'Brien*, N.Park, T.Rosin, E.Schreyer, G.Tarle, M.Tabata, A.Tomasch, G.Visser, S.P.Wakely, T.Werner, I.Wisher, M.Yu
  • 雑誌名: Proceedings of Science 巻: 395 ページ: 090-090
  • DOI: 10.22323/1.395.0090
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cosmic-ray isotope measurements with HELIX (2021)
  • 著者名/発表者名: P.Allison, J.J.Beatty, L.Beaufore, Y.Chen, S.Coutu, M.Gebhard, N.Green, D.Hanna, H.B. Jeon, B.Kunkler, M.Lang, R.Mbarek, K.McBride, I.Mognet, D.Muller, J.Musser, S.Nutter, S.O'Brien, N.Park*, Z.Siegel, M.Tabata, G.Tarle, G.Visser, S.P.Wakely, M.Yu
  • 雑誌名: Proceedings of Science 巻: 395 ページ: 091-091
  • DOI: 10.22323/1.395.0091
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-quality aerogel Cherenkov radiators recently developed in Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Makoto Tabata
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: －
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] High-quality aerogel Cherenkov radiators recently developed in Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Makoto Tabata
  • 学会等名: 5th International Conference on Technology and Instrumentation in Particle Physics (TIPP2021)
  • 国際学会