超高感度NaI(Tl)検出器による宇宙暗黒物質の探索

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00688
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 伏見 賢一 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (90274191)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 宇宙暗黒物質 / ヨウ化ナトリウム / 低バックグラウンド測定

研究実績の概要

宇宙暗黒物質探索に用いる高純度NaI(Tl)検出器を複数個組み合わせて宇宙暗黒物質探索を実行した。実験に先立ち、検出器本体のNaI(Tl)結晶の純化が必須であると判断し、NaI(Tl)結晶に含まれる放射性不純物であるカリウム40と鉛210の除去を確認した。直径7.62 cm長さ7.62 cmの円柱形NaI(Tl)結晶を製造し、宇宙暗黒物質探索装置として組み立てて実験を遂行した。
実験は岐阜県飛騨市の東北大学ニュートリノ科学センター神岡地下実験室にて行った。2022年度までに作った2個のNaI(Tl)モジュールを、無酸素銅と鉛のシールド内に設置して低バックグラウンド測定を実施した。無酸素銅シールドは厚さ5 cm、鉛は10年以上地下に保管していた低バックグラウンドの材料を中心部に設置して厚さ20 cmとした。
初めにα線放出核種の定量を行い、2個のNaI(Tl)についていずれも目標としていた純度を達成できたことを確認した。これにより、本研究課題で開発した純化方法の再現性を確認でき、将来の実験計画で実行する純化方法を確立した。
低エネルギー領域のバックグラウンドは10 keV付近で1～2 /day/keV/kgという低バックグラウンドを達成した。これはDAMA/LIBRAグループの結果の約2倍となっており、複数の検出器によって事象の選別（反同時計数など）を実施していないにもかかわらず十分に低い値を確認した。将来の大型化にて反同時計数の手法を確実に実施すれば世界最高感度の測定が可能になることが示された。

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] University of Alabama(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Alabama
• [国際共同研究] National Research Nuclear University(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: National Research Nuclear University
• [雑誌論文] 高純度ヨウ化ナトリウムの結晶育成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 伏見 賢一・D. Chernyak・江尻 宏泰・畑 和実・硲 隆太・飯田 崇史・池田 晴雄・ 今川 恭四郎・井上 邦雄・伊藤 博士・岸本 忠史・古賀 真之・小寺 健太・ A. Kozlov・中村 健悟・折戸 玲子・嶋 達志・竹本 康浩・梅原 さおり・浦野 雄介・山本 祐平・保田 賢輔
  • 雑誌名: 日本結晶成長学会誌「特集 バルク結晶の欠陥・不純物の制御と評価」 巻: 40 ページ: 49-4-03
  • 査読あり
• [学会発表] 無機シンチレーター結晶で解明する宇宙暗黒物質、ニュートリノの謎 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏見 賢一・D. Chernyak・江尻 宏泰・畑 和実・硲 隆太・飯田 崇史・池田 晴雄・ 今川 恭四郎・井上 邦雄・伊藤 博士・岸本 忠史・古賀 真之・小寺 健太・ A. Kozlov・中村 健悟・折戸 玲子・嶋 達志・竹本 康浩・梅原 さおり・浦野 雄介・山本 祐平・保田 賢輔
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [学会発表] PICOLON宇宙暗黒物質探索 ～高純度NaI(Tl)結晶のバックグラウンド解析の現状～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 小寺健太, 伏見賢一, D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 山本祐平, 保田賢輔, 吉田斉
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [学会発表] 宇宙暗黒物質探索のための高純度NaI(Tl)シンチレータの粒子識別能力の温度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 浦野雄介、川合洋平、小寺健太、折戸玲子、伏見賢一
  • 学会等名: 研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
• [学会発表] PICOLON宇宙暗黒物質探索のためのNaI(Tl)結晶のバックグラウンド評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小寺健太, 伏見賢一, D.Chernyak, 江尻宏泰, 畑和実, 硲隆太, 飯田崇史, 池田晴雄, 今川恭四郎, 井上邦雄, 伊藤博士, 岸本忠史, 古賀真之, A.Kozlov, 中村健悟, 折戸玲子, 嶋達志, 竹本康浩, 梅原さおり, 浦野雄介, 山本祐平, 保田賢輔, 吉田斉
  • 学会等名: 日本物理学会2022年春季大会
• [学会発表] Background analysis of NaI(Tl) crystals for the development of new PICOLON detector (2022)
  • 著者名/発表者名: K.Kotera, D.Chernyak, H.Ejiri, K.Fushimi, K.Hata, R.Hazama, T.Iida, H.Ikeda, K.Imagawa, K.Inoue, H.Ito, T.Kishimoto, M.Koga, A.Kozlov, K.Nakamura, R.Orito, T.Shima, Y.Takemoto, S.Umehara, Y.Urano, K.Yasuda, S.Yoshida
  • 学会等名: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics UGAP2022
  • 国際学会
• [学会発表] Quenching factor measurement in low-energy nuclear recoil of NaI(Tl) scintillator using monochromatic neutrons for dark matter search (2022)
  • 著者名/発表者名: Y.Urano, Y.Kawai, K.Fushimi, K.Hata, S.Konishi, S.Kurosawa, K.Mukai, Y.Ogino, R.Orito, T.Sakabe
  • 学会等名: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics UGAP2022
  • 国際学会
• [学会発表] 超高純度無機シンチレーターによる宇宙・素粒子稀現象の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 伏見 賢一・D. Chernyak・江尻 宏泰・畑 和実・硲 隆太・飯田 崇史・池田 晴雄・ 今川 恭四郎・井上 邦雄・伊藤 博士・岸本 忠史・古賀 真之・小寺 健太・ A. Kozlov・中村 健悟・折戸 玲子・嶋 達志・竹本 康浩・梅原 さおり・浦野 雄介・山本 祐平・保田 賢輔
  • 学会等名: 公益法人日本セラミックス協会 第35 回秋季シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 単色中性子を用いた宇宙暗黒物質探索用NaI(Tl)の消光因子精密測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 浦野雄介, 伏見賢一 , 畑和実 , 川合洋平 , 小西哲之, 黒澤俊介, 向井啓祐, 荻野靖之, 折戸玲子, 坂部俊郞
  • 学会等名: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2022)
  • 招待講演
• [学会発表] PICOLON宇宙暗黒物質探索の現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: K.Kotera, D.Chernyak, H.Ejiri, K.Fushimi, K.Hata, R.Hazama, T.Iida, H.Ikeda, K.Imagawa, K.Inoue, H.Ito, T.Kishimoto, M.Koga, A.Kozlov, K.Nakamura, R.Orito, T.Shima, Y.Takemoto, S.Umehara, Y.Urano, K.Yasuda, S.Yoshida
  • 学会等名: Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies (SMART2022)
  • 招待講演