陰イオンガス検出器による暗黒物質直接探索実験

2019 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 / TPC

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、方向感度実験による暗黒物質の制限について1桁以上の更新を目指す。平成31年度は、地下実験・検出器製作・IC性能評価について順調に研究が進んだ。
<地下実験>小型のチェンバーで行った方向に感度のある暗黒物質探索実験の解析を進め、感度を1桁以上更新した。結果を国際会議で口頭発表するとともに、論文として発表した。
<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31年度は、これまでの研究をまとめた陰イオンガスTPCを稼働させ、世界初となる三次元飛跡検出とドリフト方向の絶対位置測定を実証した。この結果を論文として投稿した。また、MEMを用いた高性能MPGDの基礎開発も進めた。
<IC性能評価>KEKと共同で開発している、ICの性能評価を行った。低ノイズ化を進めたノイズ改良型IC「LTARS2018」の評価を進め、1チップを搭載したボードで、デザイン通りの挙動をしめすことを確認した後、システム化を見据えた2チップ搭載ボードを完成させた。
<理論的研究>方向に感度を持つ検出器による銀河内での暗黒物質の運動に対する感度の評価、中性子星に堆積した暗黒物質の検出、さらに標準模型を超える新しい物理を暗黒物質やニュートリノの極微質量などを手がかりとして探求する研究、といった複数の論文を発表した。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元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] シェフィールド大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: シェフィールド大学
• [国際共同研究] ハワイ大学/ニューメキシコ大学/ウェルズリー大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ハワイ大学/ニューメキシコ大学/ウェルズリー大学
• [国際共同研究] LPSCグルノーブル(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: LPSCグルノーブル
• [国際共同研究] GSSI(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: GSSI
• [国際共同研究] ANU(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: ANU
• [雑誌論文] Results of a directional dark matter search from the NEWAGE experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Ikeda T.、Miuchi K.、Hashimoto T.、Ishiura H.、Nakamura T.、Shimada T.、Nakamura K.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012042～012042
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012042
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CYGNUS (2020)
  • 著者名/発表者名: Miuchi Kentaro、Baracchini Elisabetta、Lane Gregory、Spooner Neil J. C.、Vahsen S. E.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012044～012044
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012044
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Probing GHz gravitational waves with graviton?magnon resonance (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito Asuka、Ikeda Tomonori、Miuchi Kentaro、Soda Jiro
  • 雑誌名: The European Physical Journal C 巻: 80 ページ: 1～5
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-7735-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Alpha-ray imaging chamber based on a micro-TPC in a low radioactivity structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito Hiroshi、Miuchi Kentaro、Kobayashi Kazuyoshi、Takeuchi Yasuo、Nakamura Kiseki D.、Ikeda Tomonori、Ishiura Hirohisa
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012233～012233
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012233
  • 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 and future plan (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizukoshi Keita、Taishaku Ryosuke、Hosokawa Keishi、Kobayashi Kazuyoshi、Miuchi Kentaro、Naka Tatsuhiro、Takeda Atsushi、Tanaka Masashi、Wada Yoshiki、Yorita Kohei、Yoshida Sei
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012247～012247
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012247
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Discrimination of anisotropy in dark matter velocity distribution with directional detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagao Keiko I.、Ikeda Tomonori、Yakabe Ryota、Naka Tatsuhiro、Miuchi Kentaro
  • 雑誌名: Physics of the Dark Universe 巻: 27 ページ: 100426～100426
  • DOI: 10.1016/j.dark.2019.100426
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of an alpha-particle imaging detector based on a low radioactivity micro-time-projection chamber (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito H.、Hashimoto T.、Miuchi K.、Kobayashi K.、Takeuchi Y.、Nakamura K.D.、Ikeda T.、Ishiura H.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 953 ページ: 163050～163050
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.163050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gravitational waves from phase transition in minimal SUSY U(1)B?L model (2020)
  • 著者名/発表者名: Haba Naoyuki、Yamada Toshifumi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 ページ: 1～14
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.101.075027
  • 査読あり
• [雑誌論文] θ23 octant measurement in 3+1 neutrino oscillations in T2HKK (2020)
  • 著者名/発表者名: Haba Naoyuki、Mimura Yukihiro、Yamada Toshifumi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 ページ: 1~15
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.101.075034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a time projection chamber with a sheet-resistor field cage (2019)
  • 著者名/発表者名: Miuchi Kentaro、Ikeda Tomonori、Ishiura Hirohisa、Nakamura Kiseki D、Takada Atsushi、Homma Yasuhiro、Abe Ko、Ichimura Koichi、Ito Hiroshi、Kobayashi Kazuyoshi、Nakamura Takuma、Ueno Ryuichi、Shimada Takuya、Hashimoto Takashi、Yakabe Ryota、Ochi Atsuhiko
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2019 ページ: 1～12
  • DOI: 10.1093/ptep/ptz048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Proton lifetime upper bound in non-SUSY SU(5) GUT (2019)
  • 著者名/発表者名: Haba Naoyuki、Mimura Yukihiro、Yamada Toshifumi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 99 ページ: 1～10
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.99.075018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detectable dimension-6 proton decay in SUSY SO(10) GUT at Hyper-Kamiokande (2019)
  • 著者名/発表者名: Haba Naoyuki、Mimura Yukihiro、Yamada Toshifumi
  • 雑誌名: Journal of High Energy Physics 巻: 2019 ページ: 1～14
  • DOI: 10.1007/JHEP07(2019)155
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dark matter heating vs. rotochemical heating in old neutron stars (2019)
  • 著者名/発表者名: Hamaguchi Koichi、Nagata Natsumi、Yanagi Keisuke
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 795 ページ: 484～489
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2019.06.060
  • 査読あり
• [学会発表] Discrimination of Dark Matter Mass and Velocity Distribution by Directional Detection (2020)
  • 著者名/発表者名: Keiko Nagao
  • 学会等名: International Conference on Neutrinos and Dark Matter
  • 国際学会
• [学会発表] Anisotropy of dark matter velocity distribution and directional detection (2020)
  • 著者名/発表者名: Keiko Nagao
  • 学会等名: NCTS Dark Physics Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 方向感度をもつ暗黒物質の直接検出実験による軽い暗黒物質の検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長尾桂子
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Direct Dark Matter Detection Review (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topics from "Tokyo workshop Dark matter searches in the 2020s At the crossroads of the WIMP" (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: Magnificent CEvNS 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CYGNUS (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics(TAUP2019)
  • 国際学会
• [学会発表] CYGNUS / NEWAGE(invited) (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: KUBEC International Workshop on Dark Matter Searches 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MPGD and negative-ion gas(invited) (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: KUBEC International Workshop on Dark Matter Searches 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CYGNUS negative ion gas study (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: CYGNUS 2019 seventh workshop on directional dark matter searches
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Status of NEWAGE/CYGNUS-KM (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: CYGNUS 2019 seventh workshop on directional dark matter searches
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Direction-sensitive dark matter detection with gaseous tracking detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Miuchi
  • 学会等名: 2019 Joint Workshop of FKPPL and TYL/FJPPL
  • 国際学会
• [学会発表] 方向感度のあるDM直接探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 身内賢太朗
  • 学会等名: 2019年度 第1回 CRC将来計画タウンミーティング
• [学会発表] 暗黒物質探索実験と量子エレクトロニクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 身内賢太朗
  • 学会等名: 応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会「宇宙量子エレクトロニクス」
  • 招待講演
• [学会発表] 方向に感度をもった暗黒物質直接探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 身内賢太朗
  • 学会等名: 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Discriminating WIMP Mass and Anisotropy with Directional Detector (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiko Nagao
  • 学会等名: NCTS Annual Theory Meeting 2019: Particles, Cosmology and Strings
  • 国際学会
• [学会発表] Discrimination of Dark Matter Mass and Velocity Distribution by Directional Detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiko Nagao
  • 学会等名: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics(TAUP2019)
  • 国際学会
• [学会発表] A Limit on Axion from the Cooling Neutron Star in Cassiopeia A (2019)
  • 著者名/発表者名: Koichi Hamaguchi
  • 学会等名: 22nd_International Conference From the Planck Scale to the Electroweak Scale
  • 国際学会
• [学会発表] 暗黒物質理論 (2019)
  • 著者名/発表者名: Koichi Hamaguchi
  • 学会等名: ダークマターの懇談会2019
  • 招待講演
• [学会発表] Discussion: Astrophysical signatures of / bounds on axions (2019)
  • 著者名/発表者名: Koichi Hamaguchi
  • 学会等名: Axions in the Lab and in the Cosmos
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars (2019)
  • 著者名/発表者名: Koichi Hamaguchi
  • 学会等名: Summer Institute 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 物質の起源を解明する新たな素粒子模型と初期宇宙進化の理論研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 濱口幸一
  • 学会等名: 新学術「地下宇宙研究会」
  • 招待講演
• [学会発表] Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars (2019)
  • 著者名/発表者名: Koichi Hamaguchi
  • 学会等名: IBS-Busan Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 宇宙物理学ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 高原文郎、家正則、小玉英雄、高橋忠幸 （5.6.1 暗黒物質直接探査 の項執筆(p762-767)）
  • 総ページ数: 912
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4-254-13127-7
• [備考] NEWAGE
  • URL: http://ppwww.phys.sci.kobe-u.ac.jp/~newage/newage_j.html
• [備考] 身内賢太朗
  • URL: http://ppwww.phys.sci.kobe-u.ac.jp/~miuchi/work/work.htm
• [学会・シンポジウム開催] KUBEC Workshop on Dark Matter Searches 2019 (2019)