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ナノスケール飛跡検出による暗黒物質直接探索の展開

研究課題

研究課題/領域番号 23KK0058
研究種目

国際共同研究加速基金(海外連携研究)

配分区分基金
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
研究機関東邦大学

研究代表者

中 竜大  東邦大学, 理学部, 准教授 (00608888)

研究分担者 白石 卓也  神奈川大学, 理学部, 助教 (00866121)
佐藤 修  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任准教授 (20377964)
研究期間 (年度) 2023-09-08 – 2028-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円)
2027年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2026年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
キーワード暗黒物質 / 超微粒子原子核乾板 / 中性子 / ナノトラッキング
研究開始時の研究の概要

本研究は、世界で最も高い空間分解能を誇る独自開発された超微粒子原子核乾板 (Nano Imaging Tracker : NIT)によって、ナノスケールの極微細な暗黒物質による信号を飛跡として検出するナノトラッキングテクノロジーを駆使した新たな暗黒物質の直接探索実験を推進する。特に、日本・イタリアを中心とした国際共同研究プロジェクトNEWSdm実験としてイタリア・グランサッソ研究所を観測サイトとしてプロジェクトを展開する。

研究実績の概要

2023年度は、イタリアグランサッソ研究所において、本国際共同連携機関であるナポリ大学、グランサッソ研究所らの研究者と協働し、地下実験サイトにおける観測実験の基盤構築ならびにテスト実験を推進した。特に、地下中性子の精密測定ならびに赤道儀を用いた暗黒物質探索実験におけるテスト実験を行い、1kg×day相当の観測体制を構築し、最大4カ月の観測に対してデータ取得を進行している。また、2022年度に実施していた地上中性子の測定についてのデータ解析を行い、sub-MeV帯の中性子を反跳陽子飛跡測定によって完遂し、Phys. Rev. Cにて公開した。また、中性子観測データは、軽い暗黒物質の対消滅等による加速生成プロセスからの新たなフェーズスペースの探索に応用できることを現象論的に検討し、地下実験環境における背景事象観測のみならず、暗黒物質に対する新たなフェーズスペースの観測が可能であることを示した。現在、研究協力者と新たな現象論モデルの構築を進めている。
さらに、イタリアならびにロシアの共同研究者と連携し、宇宙線に加速された暗黒物質に対する本実験の探索可能性について、より詳細なシミュレーション研究を行い、陽子標的ならびに炭素等の重い標的それぞれに対する探索感度のエネルギー閾値依存性について定量的なシミュレーション研究を行い、Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsにて公開した。
日本グループにおける技術開発においては、次期観測に向けた光学読み取りシステムの高度化ならびに増設について進め、研究分担者それぞれの研究室にてデータ取得が可能な体制を構築し連携をより強化した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

地下実験の一連の観測を実施し、データ取得段階に移行することができている。中性子解析ならびに低質量暗黒物質探索を目的とした飛跡測定閾値を高く設定した解析においては、非常に低い背景事象を達成しており、今後のスケール拡大が望まれる。標準的な暗黒物質(WIMP模型)の探索においては、さらなる背景事象を低減させるべく、新たなデバイス開発が必要である。また、日本側の光学顕微鏡システムの運用ならびに新規開発についても予定通り進んでいる。イタリア側の解析システムについても新たな光学系を導入し、アップグレードが進んでいる。現象論研究について、研究協力者との連携が進み、現在、論文を準備中です。

今後の研究の推進方策

グランサッソ研究所における観測実験においては、10倍の観測スケールでの実験を可能とする基盤構築に注力する。まず、デバイスの1ユニットスケールを拡大するための基板材料の選定ならびにグランサッソ研究所におけるハンドリング環境をスケール拡大に合わせて拡張させることを進める。グランサッソでの環境構築は、主に、グランサッソならびにナポリ大学の共同研究者が中心となって進める。また、光学解析システムの増設を研究分担者ならびにそれぞれの所属大学院生と進める。特に、新規にグランサッソ研究所へ設置するための新たな装置の組み立てを進める。
データ解析について、2023年度に進めた地下観測データの解析を進め、世界初のサブMeV帯の地下環境中性子の直接測定を進めるとともに、同データから銀河中心における低質量暗黒物質における対消滅プロセスからの未知粒子探索を進め、並行し、研究協力者である素粒子論研究者とのモデル構築とその実験的検証に向けた検討を進めていく。
検出器のアップグレードに向けた研究開発を並行して進める。特に、より低バックグラウンド化に向けた超微粒子原子核乾板の製造プロセスを大幅に見直し、性能向上を行うことで次期実験に向けた実用化を進める。

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] University of Napoli/INFN/Gran Sasso National Laboratory(イタリア)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Moscow State University/INR RAS/Lebedev Physical Institute(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Middle East Technical University(トルコ)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Environmental sub-MeV neutron measurement at the Gran Sasso surface laboratory with a super-fine-grained nuclear emulsion detector2023

    • 著者名/発表者名
      Shiraishi T.、Akamatsu S.、Naka T.、Asada T.、De Lellis G.、Tioukov V.、Rosa G.、Kobayashi R.、D'Ambrosio N.、Alexandrov A.、Sato O.
    • 雑誌名

      Physical Review C

      巻: 107 号: 1 ページ: 014608-014608

    • DOI

      10.1103/physrevc.107.014608

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Directional sensitivity of the NEWSdm experiment to cosmic ray boosted dark matter2023

    • 著者名/発表者名
      Agafonova N.Y.、Alexandrov A., Anokhina A.M. Naka T., 他
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 07 号: 07 ページ: 067-067

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2023/07/067

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Directional direct detection of light dark matter up-scattered by cosmic rays from direction of the Galactic center2023

    • 著者名/発表者名
      Nagao Keiko I.、Higashino Satoshi、Naka Tatsuhiro、Miuchi Kentaro
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 7 号: 07 ページ: 061-061

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2023/07/061

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 原子核乾板による暗黒物質探索実験NEWSdmのグランサッソ研究所における実験推進状況の報告2024

    • 著者名/発表者名
      浅田貴志, 中竜大, 白石卓也A, 小林龍太, 佐伯加奈, 陳夏姫, ダウディ由莉香, 梅本篤宏, 佐藤修, 星野靖, V. Tioukov, N. D'Ambrosio, G. De Lellis, A. Alexandrov, Emil Khalikov, Anna Anokhina
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Direction Sensitive Dark Matter Search with Nuclear Emulsion2024

    • 著者名/発表者名
      Tatsuhiro Naka
    • 学会等名
      UGAP2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 低質量暗黒物質の探索に向けた超微粒子原子核乾板における低エネルギー反跳陽子飛跡の測定2023

    • 著者名/発表者名
      ダウディ由莉香, 中竜大, 白石卓也, 星野靖, 小林龍太, 佐伯加奈, 赤松咲耶, 陳夏姫, 田中希宙, 佐藤修
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Measurement of low energy recoiled proton tracks in the Super Fine Grained Nuclear emulsion for searching low mass dark matter2023

    • 著者名/発表者名
      Dowdy C. Yurika,T. Naka, T. Shiraishi, Y. Hoshino, R. Kobayashi, S. Akamatsu, K. Saeki, N. Chin, K. Tanaka, O. Sato
    • 学会等名
      ICMass2023 Nuclear Emulsion Workshop
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2023-09-12   更新日: 2024-12-25  

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