| 研究領域 | ヒッグス粒子発見後の素粒子物理学の新展開～LHCによる真空と時空構造の解明～ |
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| 研究課題/領域番号 |
19H04608
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
木内 健司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00791071)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2020年度)
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| 配分額 *注記 |
9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2019年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
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| キーワード | 暗黒物質探索 / 超伝導検出器 / MKIDs / 単一光子検出 / 暗黒物質 / GaAs / 素粒子 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
暗黒物質は宇宙の全エネルギーの1/4を占め、様々な観測結果から間接的に存在が示唆されています。しかし、その正体は不明のままであり、暗黒物質の解明は宇宙・素粒子物理学の最重要課題の1つとして加速器や宇宙観測など多方面から探索が行われています。
本研究課題では、近年半導体素子に用いられるようになった、ヒ化ガリウムを暗黒物質の標的として用い、ヒ化ガリウムと暗黒物質が反応した際に発生する光を超伝導の高感度光素子で観測する、新しい暗黒物質検出器を提案し、その動作を実証するものです。
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| 研究実績の概要 |
軽い（Sub-GeV）の暗黒物質探索に向けた新しい検出器の開発を行った。これまでの暗黒物質探索では弱い相互作用をする重い暗黒物質（WIMP）が精力的に探索されてきたが、本研究では検出可能なエネルギーしきい値が低いガリウム砒素（GaAs）をシンチレータとして用い、超伝導力学的インダクタンス検出器（MKIDs）を用いてそのシンチレーション光を検出する新しい暗黒物質検出器の開発を行った。
GaAsは大型の高品質な結晶が入手しやすく、これに対応して大面積をカバーできる高感度な検出器が必要になる。MKIDsは周波数空間に多重化することが容易なため大面積検出器の開発に適している。本研究では有感領域を最大化するため集中定数型MKIDs （LE-KIDs） を開発した。LE-KIDsを電磁界シミュレーションを用いて設計、作製し、希釈冷凍機を用いてMKIDsの動作温度である100 mKに冷却し評価を行った。
有感領域と感度は相反する関係にあり、試作・評価とシミュレーションを比較することにより最適化が可能になった。評価においては電気的な特性を評価するとともにシンチレーションん光に対する応答を評価するため、GaAsシンチレータのシンチレーション光とほぼ同じ波長の光子を放出するInGaAsを用いたLEDが100 mKにおいて動作可能であることを明らかにし、これを用いて光応答を評価した。
作製したLE-KIDsは約3.1eVのLEDパルス信号を検出し、GaAsと組み合わせることで暗黒物質探索が可能であることを示した。検出器の感度は十分ながら単一光子検出には至っておらず、光子のエネルギーがMKIDs以外に散逸した可能性が高く準粒子の拡散を防止する構造が必要であることが示唆された。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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