星間化学反応の全貌解明に向けた次世代中性分子検出システムの開発

• 研究領域: 次世代アストロケミストリー：素過程理解に基づく学理の再構築
• 研究課題/領域番号: 21H05443
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
• 研究機関: 東京都立大学
• 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): 2021-09-10 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 中性分子検出器 / 超伝導検出器 / 星間化学反応 / 原子分子物理

研究開始時の研究の概要

ALMA望遠鏡を始めとする近年の観測技術の向上から、惑星系形成領域における分子分布の化学的多様性が明らかになりつつある。この多様性の起源を解き明かすためには、反応バリアがほぼゼロの単純な気相反応を中心とした従来の星間化学から、反応バリアが有限でより複雑な分子が関与する反応を中心に据えた“次世代のアストロケミストリー”へ向けて、 舵を切っていかねばならない。本研究では、宇宙X線観測の分野で躍進的発展を遂げている超伝導検出器TESを導入することで、汎用的かつ高質量分解能な中性分子検出システムの開発し、より多様かつ複雑になる惑星系形成領域の気相反応の全貌解明に向けて、実験技術の躍進的な発展を目指す。

研究実績の概要

本研究では、より多様かつ複雑になる惑星系形成領域の気相反応の全貌解明に向けて、宇宙X線観測の分野で躍進的発展を遂げている超伝導検出器TESを導入した、新たな中性分子検出システムの開発を目指す。特に、惑星系形成領域に代表される高温環境(< 300 K)での反応観測が今後重要になるであろうことを鑑み、本研究では300 K反応領域と接続しても運用可能な中性分子検出技術を確立する。
昨年度、300 K反応チャンバーを接続した状態でのTES検出器の動作確認及び中性分子検出の原理実証に成功した。一方、現状のシステムにおける中性分子に対する検出器の質量分解能は、X線に対するエネルギー分解能から予想される値よりも１桁以上悪い。本年度は中性分子検出システムの分解能の向上を目指し、1)より効率的に赤外線を遮蔽可能な微小孔赤外線フィルタの開発と性能評価、2)実験およびシミュレーションによる中性分子に対するTES検出器の応答の評価を行った。
微小孔赤外線フィルタの導入により、システムの検出効率を１桁以上向上させることに成功し、また検出器の到達温度のさらなる低下によりシグナル・ノイズ比の大きな向上に成功した。
次に質量の異なる中性分子を検出システムへ導入し、TES応答の質量依存性を実験・シミュレーションの両面から検討した。シミュレーションによると重い粒子ほど分解能が悪化する傾向があるが、運動エネルギー5 keVにおいても数十eV程度の分解能を実現可能であり、実際の計測にも十分に応用可能であることが分かった。一方実験的には、計算よりも１桁以上悪い分解能が観測されたほか、質量依存性もより顕著であった。これらの結果から、実験的に見出された分解能の悪化はTES検出器に起因するものではなく、輻射遮蔽のために設けたシールドによる反跳に起因することが示唆される。本システムの実用化を目指し、引き続き装置の改良を続ける。

現在までの達成度 (段落)

令和4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

令和4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] 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 / オープンアクセス / 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 / 国際共著
• [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] 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] 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
• [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] High resolution measurement of electronic K x rays from muonic atoms in metal (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura
  • 学会等名: Virtual International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (VICPEAC 2021)
  • 国際学会