方向感度暗黒物質探査に向けた光学的異方性シンチレータの探索と実証

• 研究領域: 宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究
• 研究課題/領域番号: 17H05190
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 黒澤 俊介 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (80613637)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2018年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2017年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: シンチレータ / 暗黒物質 / 結晶方位 / 暗黒物質探索 / 結晶育成 / 光物性 / 暗黒物質探査 / フォトニック結晶 / 実験核物理

研究実績の概要

暗黒物質は、白鳥座方向から「吹いてくる」と地球上からは感じる、とされていることから、方向感度を持ち、暗黒物質と相互作用する物質を利用すれば、より感度よく暗黒物質とその他のノイズを分別することができる。その候補として、タングステン酸塩結晶を用いたシンチレータに、本研究では注目した。シンチレータとは、放射線などの高いエネルギーの光子や粒子が入射すると、我々の目、ないしは、光検出器で感じることのできる光を発光する機能性材料である。
タングステン酸結晶を中心に単結晶をチョクラルスキー法を用いて育成を行った。チョクラルスキー法は、質の良い結晶を育成できる方法のひとつであり、たとえばシリコン半導体の結晶育成にも利用されている方法である。育成した結晶については、評価用に、切り出し・研磨を行った。その後、暗黒物質はそもそも正体不明であるので、模擬的にアルファ線やガンマ線と呼ばれる放射線を当てて、その時の発光の様子について観察した。
結晶とは、あるユニット（単位格子）が規則正しく並んだものであるが、この格子が直方体に近い形を当該結晶は取っており、そこに入射するガンマ線はエネルギーが同じでも、入射する面によって発光量が異なるということが分かった。これまでのシンチレータでは、ガンマ線などの放射線を入射させると、発光量は結晶の入射面に依らないことが常識であったため、この結果は驚きでもあった。
本研究では、さらに、なぜ、このような現象が起こるのかについての、解明についても取り組んだ。未だ解明中ではあるものの、あるグループにおいては結晶の入射面によって発光特性が変わることが分かってきた。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [国際共同研究] 物理研(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Comprehensive study on Ce-doped (Gd, La)2Si2O7 scintillator (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Takahiko Horiai, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Pejchal Jan, Akihiro Yamaji, Shohei Kodama, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Akimasa Ohnishi, Mamoru Kitaura
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 65 号: 8 ページ: 2136-2139
  • DOI: 10.1109/tns.2018.2841917
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of Ce-doped (La,Gd) 2 Si 2 O 7 grown by the Czochralski process (2018)
  • 著者名/発表者名: Murakami Rikito、Kurosawa Shunsuke、Yamane Hisanori、Horiai Takahiko、Shoji Yasuhiro、Yokota Yuui、Yamaji Akihiro、Ohashi Yuji、Kamada Kei、Yoshikawa Akira
  • 雑誌名: J. Alloys Compd. 巻: 748 ページ: 404-404
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.286
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and luminescent properties of Ce and Eu doped Cesium Hafnium Iodide single crystalline scintillators (2018)
  • 著者名/発表者名: Shohei Kodama, Shunsuke Kurosawa, Akihiro Yamaji, Jan Pejcahl, Robert Kral, Yuji Ohashi, Kei Kamada, Yuui Yokota, Martin Nikl, Akira Yoshikawa
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 492 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.03.033
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal Growth and Optical Properties of Organic Crystals for Neutron Scintillators (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihiro YAMAJI, Shunsuke KUROSAWA, Yuji OHASHI, Yuui YOKOTA, Kei KAMADA and Akira YOSHIKAWA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 号: 0 ページ: 2405011-2405011
  • DOI: 10.1585/pfr.13.2405011
  • NAID: 130006639026
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Growth and Luminescent Properties of Cs2HfCl6 Scintillators Doped With Alkaline Earth Metals (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kodama, S. Kurosawa, J. Pejchal, R. Kral, A. Yamaji, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, M. Nikl, and A. Yoshikawa
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 65 号: 8 ページ: 2169-2173
  • DOI: 10.1109/tns.2018.2848474
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 通電焼結法による透光性セラミックスシンチレータの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒澤 俊介・原田 晃一
  • 雑誌名: 日本セラミックス協会・協会誌「セラミックス」 巻: 第53巻9月号 ページ: 603-606
• [学会発表] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討8 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介, 関谷洋之, 阿部まりな, 山路晃広, ピーダーセン珠杏, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Scintillation and Optical Properties for Ce-doped (Gd, La)2Si2O7 in Low Temperature (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Masao Yoshino, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa, Akimasa Ohnishi and Mamoru Kitaura
  • 学会等名: The 13th Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials (EURODIM 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Optical properties of Cr-doped ホイ-Ga2O3 as red and near infra-red emission scintillators (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Masao Yoshino, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Akira Yoshikawa
  • 学会等名: The 5th International Conference on the Physics of Optical Materials and Devices (ICOM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Scintillation Properties of Y admixed Gd2Si2O7 doped with Ce (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Toetsu Shishido, Takamasa Sugawara, Akiko Nomura, Kunio Yubuta, Takahiko Horiai, Jan Pejchal, Jary Vitezslav, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Yasuhiro Shoji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Martin Nikl, Akimasa Ohnishi, and Mamoru Kitaura
  • 学会等名: 10th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LumDeTr '18)
  • 国際学会
• [学会発表] Luminescent properties of Vacuum-Ultra-Violet scintillators with a novel Si-PM (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Shohei Kodama, Shinnosuke Yamato, Takahiko Horiai, Jan Pejchal, Akihiro Yamaji, Masao Yoshino, Yasuhiro Shoji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, and Akira Yoshikawa
  • 学会等名: 10th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LumDeTr '18)
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature dependence and bandgap evaluation for Ce:(La, Gd)2Si2O7 scintillator (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, T. Horiai, Y. Shoji, R. Murakami, S. Yamato, A. Yamaji, M. Yoshino, Y. Yokota, Y. Ohashi, K. Kamada, A. Yoshikawa, A. Ohnishi, M. Kitaura
  • 学会等名: 2018 IEEE Nuclear science Symposium and Medical Imaging Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Direction-Sensitive Dark Matter Search Using Ungstate Scintillator (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, H. Sekiya, M. Tsukahara, M. Abe, A. Yamaji, R. Murakami, T. Horiai, S. Kodama, Y. Shoji, M. Yoshino, Y. Ohashi, Y. Yokota, K. Kamada, A. Yoshikawa, A. Ohnishi
  • 学会等名: 15th Vienna Conference on Instrumentation (VCI2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Real-Time Dose-Verification in Particle Therapy Using an Electron-Tracking Compton Camera (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Kurosawa, K. Kamada, S. Sonoda, T. Mizumoto, M. Yoshino, H. Numakura, T. Tanimori, A. Takeda, A. Yamaji, Y. Ohashi, Y. Yokota, A. Yoshikawa, F. Tokanai, T. Iwai, K. Nemoto
  • 学会等名: 15th Vienna Conference on Instrumentation (VCI2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討7 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, ピーダーセン珠杏, 塚原美紗, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] Scintillation Properties of ZnWO₄ Crystals for Direct-Sensitive Dark Matter Search (2018)
  • 著者名/発表者名: Misa Tsukahara, Shunsuke Kurosawa, Hiroyuki Sekiya, Akihiro Yamaji, Mamoru Kitaura, Akimasa Ohnishi
  • 学会等名: the 2nd International Symposium on Radiation Detectors and Their Uses (ISRD2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討VI (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, 塚原美紗, ピーダーセン珠杏, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正, 北浦守
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 暗黒物質方向感度検出器の開発のためのZnWO₄シンチレータの異方性の測定 (2018)
  • 著者名/発表者名: ピーダーセン珠杏, 関谷洋之, 黒澤俊介, 吉川彰, 山路晃広, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 塚原美紗, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 大西彰正, 北浦守
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] Scintillation Properties of (Zn,Mg)WO₄ for Dark Matter Search (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Kurosawa, Hiroyuki Sekiya, Takahiko Horiai, Akihiro Yamaji, Shohei Kodama, Rikito Murakami, Yasuhiro Shoji, Yuji Ohashi, Yuui Yokota, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Akimasa Ohnishi, Mamoru Kitaura
  • 学会等名: 14th International conference on Scintillating Materials and their Applications
  • 国際学会
• [学会発表] 異方性シンチレータによる極低温熱量計型暗黒物質方向感度検出器の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 関谷洋之, Yong-Hamb KimA, Jin-A JeonA, Hyelim KimA, 黒澤俊介, 山路晃広
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 方向感度をもつ暗黒物質検出器の開発をめざした異方性を有するシンチレータ開発の検討V (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, 塚原美紗, 堀合毅彦, 小玉翔平, 大和慎之介, 庄子育宏, 大橋雄二, 鎌田圭, 横田有為, 吉川彰, 大西彰正, 北浦守
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 暗黒物質探索を目指した ZnWO₄ 結晶の光学的性質の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 塚原 美紗，黒澤 俊介，関谷 洋之，山路 晃広，北浦 守，大西 彰
  • 学会等名: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2017)
• [学会発表] タングステン酸化物シンチレータの 発光異方性を利用した暗黒物質探索の検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介, 関谷洋之, 山路晃広, 塚原美紗
  • 学会等名: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2017)
  • 招待講演
• [備考] 黒澤俊介のページ
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/
• [備考] Shunsuke Kurosawa`s page
  • URL: http://yoshikawa-lab.imr.tohoku.ac.jp/personal/kurosawa/index.html