先進技術とエキゾチック原子法の融合による超高感度反粒子宇宙線観測の推進

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01136
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 福家 英之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (10392820)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 宇宙線 / 暗黒物質 / 反粒子 / 反物質 / エキゾチック原子 / 測定器開発 / 気球実験 / 先端機能デバイス

研究実績の概要

本研究の目的は、国際共同研究計画GAPS（General Anti-Particle Spectrometer）を実現し、宇宙線反粒子の高感度観測によるダークマター探索を推進することである。ダークマターの解明は現在の宇宙物理学の最大の課題の一つである。未発見の宇宙線反粒子である反重陽子は、超対称性粒子ニュートラリーノなどのダークマター有力候補モデルを起源として存在する可能性があり、しかも低エネルギー領域にて二次起源の影響を殆ど受けずに単独で観測できる可能性がある。GAPSは、その反重陽子をかつてない高感度で探索・観測することを計画している。これによりGAPSは、ダークマターの多角的な研究において他実験とは相補的かつ独自の一翼を担うことができる。
平成29年度は、南極周回気球飛翔観測に向けたGAPS測定器の詳細設計と要素試作を重ねた。GAPS測定器の中核を担うSi(Li)型半導体検出器に関しては、良質かつ比較的安価なシリコン材の開発に成功したほか、良質（低リーク電流）かつ比較的容易な（量産に適している）検出器製造方法の開発にも目処を立てた。Si(Li)検出器の冷却システムとして、OHP（自励振動ヒートパイプ）という先進的な熱工学技術を応用した独自の手法を用いて、実寸大モデルによる動作実証を重ねた。もう一つの主要要素であるTOFシンチレーションカウンタに関しても、試作モデルを用いた評価試験を行った。このほか、GEANT4シミュレーションを用いて、これら測定器要素の形状や配置に関する詳細パラメータの設計最適化を進めた。
得られた成果は学会で発表したほか、学術論文発表の準備も進めている。

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

宇宙線反粒子の高感度探索に向けたGAPS測定器の開発を計画どおりに進め、Si(Li)検出器、OHP冷却システム、TOFシンチレーションカウンタ、のいずれにおいても、試作による評価試験を行って一定の成果を挙げた。GEANTシミュレーションコードの開発と、それによる設計最適化も進めている。南極用GAPS測定器構成要素の実機製作（量産）に向けた準備をほぼ計画どおりに進めることができた。

今後の研究の推進方策

平成29年度の研究成果を踏まえ、GAPS実験実施に向けた研究開発を引き続き推進する。当初計画どおり、GAPS測定器各構成要素の詳細設計を深め、実機の製作、構築、動作確認を経て、観測を実現させたい。

研究成果

• [国際共同研究] コロンビア大学/マサチューセッツ工科大学/カリフォルニア大学ロサンゼルス校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: コロンビア大学/マサチューセッツ工科大学/カリフォルニア大学ロサンゼルス校
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] 国立核物理学研究所(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: 国立核物理学研究所
• [雑誌論文] Present Status and Future Plans of GAPS Antiproton and Antideuteron Measurement for Indirect Dark Matter Search (2017)
  • 著者名/発表者名: H.Fuke, T.Aramaki, S.Boggs, W.W.Craig, P.v.Doetinchem, R.Fabris, C.J.Hailey, F.Gahbauer, T.Gordon, C.Kato, A.Kawachi, T.Koike, M.Kozai, N.Madden, S.A.I.Mognet, K.Mori, K.Munakata, S.Okazaki, R.A.Ong, K.Perez, K.Sakimoto, Y.Shimizu, N.Yamada, A.Yoshida, T.Yoshida, K.P.Ziock, J.Zweerink
  • 雑誌名: Physical Society of Japan (JPS) Conf. Proc., 12th International Conf. on Low Energy Antiproton Phys. (LEAP2016) 巻: 18 ページ: (011003)1-6
  • DOI: 10.7566/JPSCP.18.011003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 南極周回気球による宇宙線反粒子探索計画GAPS (2018)
  • 著者名/発表者名: 福家英之, 井上剛良, 井上拓哉, 大塚壮平, 岡崎峻, 小川博之, 加藤千尋, 河内明子, 小池貴久, 小財正義, 近藤愛美, 崎本一博, 清水雄輝, 高橋克征, 高橋俊, 竹内崇人, 大丸拓郎, 永井大樹, 橋本岳, 蓑島温志, 宗像一起, 山田昇, 吉田篤正, 吉田哲也, 渡邊翼, 和田拓也, 他
  • 学会等名: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第18回)
• [学会発表] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用リチウムドリフト型シリコン検出器の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小財正義, 福家英之, 清水雄輝, 宗像一起, 加藤千尋, C.J.Hailey, K.Perez
  • 学会等名: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第18回)
• [学会発表] GAPS気球実験におけるトリガースキームの検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 蓑島温志, 大塚壮平, 小財正義, 清水雄輝, 竹内崇人, 橋本岳, 福家英之, 吉田篤正, 吉田哲也, 渡邉翼, 和田拓也
  • 学会等名: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第18回)
• [学会発表] GAPS用熱制御システムの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡崎峻, 近藤愛実, 福家英之, 小川博之, 高橋克征, 山田昇, 河内明子, 井上拓哉, 高橋俊
  • 学会等名: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所宇宙科学シンポジウム (第18回)
• [学会発表] GAPS計画：宇宙線反粒子観測によるダークマター探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 福家英之
  • 学会等名: 横浜国立大学 理工学部 物理工学EP 談話会
  • 招待講演
• [学会発表] Prediction of Heat Transfer in a Heat Pipe by Two-phase Flow Simulation based on Conservative Level Set Method (2018)
  • 著者名/発表者名: Shun Takahashi, Takuya Inoue, Shun Okazaki, Hideyuki Fuke
  • 学会等名: 2018 AIAA SciTech Forum
  • 国際学会
• [学会発表] GAPS衛星 (2017)
  • 著者名/発表者名: 福家英之
  • 学会等名: 2017年度 CRC将来計画タウンミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用リチウムドリフト型シリコン検出器の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 福家英之, 小財正義, 清水雄輝, 宗像一起, 加藤千尋, Charles Hailey, Kerstin Perez
  • 学会等名: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (平成29年度)
• [学会発表] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用TOFシンチレーションカウンタの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 橋本岳, 大塚壮平, 小財正義, 清水雄輝, 竹内崇人, 福家英之, 蓑島温志, 吉田篤正, 吉田哲也, 渡邉翼, 和田拓也
  • 学会等名: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (平成29年度)
• [学会発表] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用ヒートパイプシステムの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤愛実, 岡崎峻, 福家英之, 小川博之, 高橋克征, 山田昇, 河内明子, 井上拓哉, 高橋俊
  • 学会等名: 宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所大気球シンポジウム (平成29年度)
• [学会発表] HFC23を適用したGAPSヒートパイプの熱輸送特性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤愛実, 岡崎峻, 福家英之, 吉住雄大, 河内明子, 小川博之
  • 学会等名: 第61回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 二相流体ポンプによるGAPS冷却システムの熱輸送性能向上 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡崎峻, 近藤愛実, 福家英之, 高橋克征, 河内明子, 山田昇, 小川博之
  • 学会等名: 第61回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] GAPS用大型ヒートパイプの熱輸送特性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋克征, 岡崎峻, 近藤愛実, 福家英之, 山田昇, 河内明子, 小川博之
  • 学会等名: 平成29年度日本太陽エネルギー学会・日本風力エネルギー学会合同発表会
• [学会発表] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用自励振動ヒートパイプの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 福家英之, 岡崎峻, 小川博之, 高橋克征, 山田昇, 河内明子, 近藤愛美, 井上拓哉, 高橋俊
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用リチウムドリフト型シリコン検出器の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小財正義, 福家英之, 清水雄輝, 宗像一起, 加藤千尋, Charles J. Hailey, Kerstin Perez
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 宇宙線反粒子探索GAPS実験用TOFシンチレーションカウンタの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 和田拓也, 大塚壮平, 小財正義, 清水雄輝, 橋本岳, 福家英之, 蓑島温志, 吉田篤正, 吉田哲也, 渡邉翼
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 管内の過熱の抑制に向けた熱流体解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋俊, 井上拓哉, 岡崎峻, 福家英之
  • 学会等名: 第49回流体力学講演会／第35回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
• [学会発表] GAPS 用大型自励振動ヒートパイプの過加熱解消に向けた試み (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋克征, 岡崎峻, 福家英之, 山田昇, 小川博之
  • 学会等名: 日本伝熱シンポジウム (第54回)
• [学会発表] The GAPS Experiment to Search for Dark Matter using Low-energy Antimatter (2017)
  • 著者名/発表者名: R.A.Ong, T.Aramaki, R.Bird, M.Boezio, S.E.Boggs, R.Carr, W.W.Craig, P.v.Doetinchem, L.Fabris, F.Gahbauer, C.Gerrity, H. Fuke, C.J.Hailey, C.Kato, A.Kawachi, M.Kozai, S.I.Mognet, K.Munakata, S.Okazaki, G.Osteria, K.Perez, V.Re, F.Rogers, N.Saffold, Y.Shimizu, A.Yoshida, T.Yoshida, G.Zampa, and J.Zweerink
  • 学会等名: 35rd Intl. Cosmic Ray Conf.
  • 国際学会
• [備考] GAPS
  • URL: http://gaps.isas.jaxa.jp/