シリカエアロゲルによる高エネルギー宇宙線同位体比の精密測定：宇宙線伝播機構の解明

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K03666
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 田端 誠 千葉大学, 大学院理学研究院, 特任研究員 (10573280)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: シリカエアロゲル / チェレンコフ輻射体 / リングイメージングチェレンコフ検出器 / 屈折率 / 透過率 / 宇宙線 / HELIX

研究実績の概要

本研究では、南極周回気球に一次宇宙線測定器を搭載し、主にベリリウムの同位体比を精密測定し（HELIX実験）、宇宙線の伝播機構の理論モデルを検証する。
荷電粒子の速度測定装置であるリングイメージングチェレンコフ検出器において、輻射体として用いる屈折率（n）1.15-1.16の疎水性シリカエアロゲルのタイル（大きさ11 cm × 11 cm × 1 cm）の量産（96枚）を完遂した。全数に対する初期光学的評価、すなわち、目視検査（ひび割れの有無等）、レーザー最小偏角法による屈折率の測定、分光光度計による可視光透過率の測定を実施した。透過率は、全てのタイルで目標値（厚み1 cmのタイルに対し、波長400 nmにおける透過率が70%以上）を達成した。屈折率は、目標であるn=1.15-1.16の範囲に概ね納まり、良好な制御ができた。ひび割れに関する歩留まりは約80%であり、予想（90%）をやや下回ったが、実機に必要な数（36枚）に対して十分な数量のタイルを製作したので、大勢に影響はないと考えられる。
部分的にひび割れて実機に搭載できないタイル等を利用して、ウォータージェットカッターによる、大きさ10 cm × 10 cmへのトリミングの試験を、いずれも複数枚に対して4回実施した。いずれも切断状態は良好で、少数ながら歩留まりは100%であった。切断加工の歩留まりを90%と予想していたので、タイルのひび割れによる損失数を取り戻すことも期待できる。トリミングしたタイルは試作金属フレームに適合することを確認できた。タイルをフレームに接着する手法も確立しつつある。
今後、国内における詳細光学的測定（タイルの一様性評価等）を実施し、良品を選択の上、切断加工を行う。加工後、光学的性能の劣化がないことを確認し、フレームに接着した上で、米国に移送し、最終詳細光学測定ののち、測定器への組み込みを実施する。

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

当該年度の目標であったシリカアロゲルの量産を完遂したことで、おおむね順調に進展していると判断する。シリカエアロゲルの製作に、研究代表者独自の手法であるPin drying法を用いる過程で、量産における未経験の問題に直面したが、温度管理法を改善することでこれを解決し、新たな知見を得た。米国側におけるフレーム設計の都合で、フライトタイルへの切断加工の実施は翌年度に繰り越すことになったが、その間、切断加工の試験を繰り返し、フレームへの組み込みの準備も十分できた。また、当初の予定より、国内での初期光学的性能評価を拡充して精確に行うことができた。

今後の研究の推進方策

国内において、ひび割れのない全タイルについて、詳細光学的測定（タイルの一様性評価等）を実施し、フライトタイル候補となる良品を選択する。これらに切断加工を施し、光学的性能の劣化がないことを確認する。タイルをフレームに接着したのち、安全のため、便を分割して米国に移送し、当地での設備を用いて最終詳細光学測定（較正）を実施する。較正データを取得したタイルは順次、測定器本体に組み込みを開始し、南極気球フライトに向けた準備を進めて行く。

研究成果

• [国際共同研究] University of Chicago(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Chicago
• [国際共同研究] McGill University(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: McGill University
• [雑誌論文] Developing a silica aerogel radiator for the HELIX ring-imaging Cherenkov system (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Tabata, P. Allison, J.J. Beatty, S. Coutu, M. Gebhard, N. Green, D. Hanna, B. Kunkler, M. Lang, K. McBride, S.I. Mognet, D. Muller, J. Musser, S. Nutter, N. Park, M. Schubnell, G. Tarle, A. Tomasch, G. Visser, S.P. Wakely, I. Wisher
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.02.006
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Production of silica aerogel radiator tiles for the HELIX RICH (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Tabata, P. Allison, J.J. Beatty, L. Beaufore, Y. Chen, S. Coutu, E. Ellingwood, N. Green, D. Hanna, B. Kunkler, R. Mbarek, K. McBride, S.I. Mognet, D. Muller, J. Musser, S. Nutter, S. O'Brien, N. Park, T. Rosin, G. Tarle, A. Tomasch, G. Visser, S.P. Wakely, I. Wisher, M. Yu
  • 学会等名: 36th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Silica aerogel radiator for the HELIX RICH system (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Tabata, P. Allison, J.J. Beatty, S. Coutu, M. Gebhard, N. Green, D. Hanna, B. Kunkler, M. Lang, S.I. Mognet, D. Muller, J. Musser, S. Nutter, N. Park, M. Schubnell, G. Tarle, A. Tomasch, G. Visser, S.P. Wakely, I. Wisher
  • 学会等名: 10th International Workshop on Ring Imaging Cherenkov Detectors (RICH 2018)
  • 国際学会
• [備考] Blue dot
  • URL: http://www.ppl.phys.chiba-u.jp/~makoto/index.html