陰イオンガス検出器による暗黒物質直接探索実験

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02189
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 身内 賢太朗 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (80362440)
• 研究分担者: 波場 直之 島根大学, 学術研究院理工学系, 教授 (00293803) ; 濱口 幸一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (80431899) ; 高田 淳史 京都大学, 理学研究科, 助教 (90531468) ; 長尾 桂子 岡山理科大学, 理学部, 講師 (90707986)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 暗黒物質 / 地下実験 / 低放射能技術 / 粒子検出器

研究実績の概要

未知の素粒子「暗黒物質」と原子核との弾性散乱による反跳原子核を検出する手法は「直接探索」と呼ばれ、ここ数年で大質量検出器による制限が大きく進んだ一方で、14サイクルの季節変動を報告しているDAMAの結果も依然として残っている。到来方向に有感な手法など、確度の高い手法によるDAMA領域やその先の探索は急務である。本研究では、大型陰イオンガスTPCを製作・地下実験を行い、方向感度実験で暗黒物質の世界最高制限を1桁以上更新を目指す。平成30年度は、地下実験・MPGDの性能評価・TPC製作・IC性能評価を計画し、以下に記すとおり順調に研究が進んだ。
<地下実験>暗黒物質探索のバックグラウンドとなる環境中性子の測定に関する論文を出版した。小型のチェンバーで方向に感度のある暗黒物質探索実験を開始した。
<検出器製作>ドリフト距離の測定を可能としながらも、ガスゲインを得にくいSF6ガスを用いるためのキーデバイスが、MPGD(微細加工技術を用いたガス検出器)である。平成30年度は、陰イオンガス中でのMPGDの動作を測定、シミュレーションによる再現を進め、SF6ガス中でのMPGDの動作の理解を進めた。また、低BG TPC製作のキーデバイスとなる面抵抗を持つ素材を用いたTPCケージの試作を行い、実用的であることを確認、論文とした。
<IC試作>陰イオンガスの読出し回路は通常のガスTPCよりも時定数が100倍遅い。KEKと共同で、液体アルゴン用ICを元にしたICの開発を進めている。平成30年度には、2016年度製作のIC「LTARS2016」の試験結果を論文として出版するとともに、改良型IC「LTARS2019」を製作した。
<理論的研究>方向に感度を持つ検出器による暗黒物質の性質や、銀河内での運動に対する感度の評価を進めた。暗黒物質候補として、アクシオンなどに関する理論的研究も進めた

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

研究実績の概要に記載した通り、おおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

検出器開発については分担者の高田、理論的展開に関しては濱口・長尾・波場との連携を密にして研究を進める。地下実験に関しては身内が責任をもって遂行、予定通りの物理結果を得るべく研究を推進する。

研究成果

• [国際共同研究] シェフィールド大(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: シェフィールド大
• [国際共同研究] ハワイ大/ニューメキシコ大/ウエルズリー大(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ハワイ大/ニューメキシコ大/ウエルズリー大
• [国際共同研究] INFN-LNF(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: INFN-LNF
• [国際共同研究] メルボルン大/Australian National University(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: メルボルン大/Australian National University
• [雑誌論文] Prototype analog front-end for negative-ion gas and dual-phase liquid-Ar TPCs (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakazawa M.、Kishishita T.、Shoji M.、Sakashita K.、Ikeda T.、Ishiura H.、Battat J.B.R.、Nicoloff C.、Tanaka M.M.、Hasegawa T.、Miuchi K.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 14 ページ: T01008～T01008
  • DOI: DOI: 10.1088/1748-0221/14/01/T01008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a time projection chamber with a sheet-resistor field cage (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi, Tomonori Ikeda, Hirohisa Ishiura, Kiseki D. Nakamura, Atsushi Takada, Yasuhiro Homma, Ko Abe, Koichi Ichimura, Hiroshi Ito, Kazuyoshi Kobayashi Takuma Nakamura, Ryuichi Ueno, Takuya Shimada, Takashi Hashimoto, Ryota Yakabe, Atsuhiko Ochi
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurement of ambient neutrons in an underground laboratory at Kamioka Observatory (2018)
  • 著者名/発表者名: Keita Mizukoshi, Ryosuke Taishaku, Keishi Hosokawa, Kazuyoshi Kobayashi, Kentaro Miuchi, Tatsuhiro Naka, Atsushi Takeda, Masashi Tanaka, Yoshiki Wada, Kohei Yorita, Sei Yoshida
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 12 ページ: 123C01～123C01
  • DOI: doi:10.1093/ptep/pty133
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supersymmetric flaxion (2018)
  • 著者名/発表者名: Ema Yohei、Hagihara Daisuke、Hamaguchi Koichi、Moroi Takeo、Nakayama Kazunori
  • 雑誌名: Journal of High Energy Physics 巻: 2018 ページ: 094~094
  • DOI: 10.1007/JHEP04(2018)094
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sneutrinos as mixed inflaton and curvaton (2018)
  • 著者名/発表者名: Haba Naoyuki、Takahashi Tomo、Yamada Toshifumi
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2018 ページ: 011～011
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2018/06/011
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] NEWAGE (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] NEWAGE実験53：ガス検出器シミュレーションを用いた陰イオンガスμ-TPCのための陰イオンガス中MPGD特性研究」 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石浦宏尚
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 陰イオンTPCシミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 石浦 宏尚
  • 学会等名: アクティブ媒質TPC開発座談会
• [学会発表] 方向に感度を持った暗黒物質直接探索のためのガスTPC (2019)
  • 著者名/発表者名: 池田智法
  • 学会等名: アクティブ媒質TPC開発座談会
• [学会発表] 方向に感度を持つ暗黒物質探索実験のための読み出し回路の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中村拓馬
  • 学会等名: 第25回ICEPPシンポジウム
• [学会発表] 陰イオンガス中におけるMPGDの特性理解 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石浦宏尚
  • 学会等名: 第25回ICEPPシンポジウム
• [学会発表] NEWAGE実験52：2018年地下測定結果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 池田智法
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] 抵抗シートを用いたTPC開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 身内賢太朗
  • 学会等名: アクティブ媒質TPC開発座談会
• [学会発表] 電場形成に高抵抗シートを用いたTPCの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 身内賢太朗
  • 学会等名: 日本物理学会 第74回年次大会
• [学会発表] Low BG TPC for direction-sensitive dark matter search (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: 9th symposium on Large TPCs for low-energy rare event detection
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] NEWAGE (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: Identification of Dark Matter 2018(IDM 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Review on Direction-Sensitive Direct Dark Matter Search with gaseous detectors (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: Identification of Dark Matter 2018(IDM 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MPGDの暗黒物質探索への応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 池田智法
  • 学会等名: 第15回Micro-Pattern Gas Detector研究会
• [学会発表] ガス飛跡検出器による暗黒物質探索実験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 身内賢太朗
  • 学会等名: 平成30年度宇宙線研究所共同利用研究成果発表研究会
• [学会発表] いま、探すべきDM質量領域 (2018)
  • 著者名/発表者名: 身内賢太朗
  • 学会等名: 2018年度年度 早稲田大学素粒子物理実験研究会
  • 招待講演
• [学会発表] マグノン検出器を用いたアクシオン探索実験究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 池田智法
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 方向感度を持った暗黒物質探索のためのR&D (2018)
  • 著者名/発表者名: 池田智法
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 陰イオンガスμ-TPCに用いるMPGDの陰イオンガス中特性研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石浦宏尚
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] NEWAGE実験50: 低アルファμ-PICを用いた地下実験経過報告 (2018)
  • 著者名/発表者名: 橋本隆
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [備考] NEWAGE
  • URL: http://ppwww.phys.sci.kobe-u.ac.jp/~newage/newage_j.html