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2020 年度 実績報告書

宇宙暗黒物質検出器高感度化のための極低放射能技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H01931
研究機関名古屋大学

研究代表者

風間 慎吾  名古屋大学, 高等研究院(素粒子), 特任助教 (40736592)

研究分担者 山下 雅樹  名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特任准教授 (10504574)
伊藤 好孝  名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50272521)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード液体キセノン / SiPM / ハイブリッド光検出器 / 高抵抗薄膜 / TPC / ラドン / 半導体光検出器
研究実績の概要

本年度は、低ダークカウントSiPMの開発とその性能評価、PMTとSiPM両方の特徴を併せ持つハイブリッド光検出器の開発とその性能評価、さらには高抵抗透明薄膜を用いた電子ドリフトの実証実験を行った。
低ダークカウントSiPMに関しては、浜松ホトニクス社の協力のもと、低温でのダークカウントの原因となっているトンネル効果を抑制したSiPMの開発を行い、液体キセノン温度(-100度)での性能評価を行った。その結果、従来の製品と比べて6ー50倍近くダークカウントを抑制可能なことが判明した。
ハイブリッド光検出器に関しては、浜松ホトニクス社と共同で世界初のプロトタイプ検出器の開発を行い、室温での性能評価を行った。その結果、期待通りダークカウントを低減できていることが判明した。また検出効率の測定を行なったところ、光電子収集効率に強い位置依存性が見つかった。これは光電子収集電場が最適化されてないことが原因であり、今後プロトタイプを作成する際には、より詳細な最適化が必要であることが判明した。
高抵抗透明薄膜を用いた電子ドリフトは世界初の試みであり、必要となる高抵抗薄膜は、ジオマテック社の協力のもと石英ガラス上にスパッタリングで形成を行った。その後、この薄膜を用いて電子ドリフトを行うためのセットアップを作成し、実証実験を行った。その結果、真空中では期待通り電子をドリフトできていることが判明し、液体キセノン中での実験に向けて必要な装置の開発を行った。

現在までの達成度 (区分)
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

浜松ホトニクス社の協力により、期待通り光検出器の開発が進んだことが大きな要因である。ただし、ハイブリッド検出器に関しては、光電子収集効率に非一様性が見られたため、さらなる改善が必要である。
密閉型液体キセノン検出器開発においては、その第一ステップとして高抵抗薄膜を用いた電子ドリフトの実証が必要となるが、材料の選定や真空中での実証実験が期待通り進み、良い結果が得られた。

今後の研究の推進方策

低ダークカウントSiPMに関しては、同じコンセプトのもと真空紫外光用途に向けた開発が進行中であり、プロトタイプが作成でき次第、液体キセノン温度での性能評価を行う。
ハイブリッド光検出器に関しては、プロトタイプの低温での性能評価を行うとともに、光電子収集効率を最適化したプロトタイプの作成を行う。
密閉型液体キセノン検出器開発においては、石英ガラスを用いたラドン排除のためのセットアップを作成し、その実証を行う。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] コロンビア大学/ライス大学/シカゴ大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      コロンビア大学/ライス大学/シカゴ大学
    • 他の機関数
      4
  • [国際共同研究] ミュンスター大学/マックスプランク・ハイデルベ ルグ/マインツ大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      ミュンスター大学/マックスプランク・ハイデルベ ルグ/マインツ大学
    • 他の機関数
      2
  • [国際共同研究] ボローニャ大学/ボローニャ大学/ナポリ大学(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      ボローニャ大学/ボローニャ大学/ナポリ大学
    • 他の機関数
      2
  • [国際共同研究] チューリッヒ大学(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      チューリッヒ大学
  • [国際共同研究] ストックホルム大学(スウェーデン)

    • 国名
      スウェーデン
    • 外国機関名
      ストックホルム大学
  • [国際共同研究]

    • 他の国数
      6
  • [雑誌論文] Characterization of new silicon photomultipliers with low dark noise at low temperature2021

    • 著者名/発表者名
      Ozaki K.、Kazama S.、Yamashita M.、Itow Y.、Moriyama S.
    • 雑誌名

      Journal of Instrumentation

      巻: 16 ページ: P03014~P03014

    • DOI

      10.1088/1748-0221/16/03/P03014

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Characterization of new photo-detectors for the future dark matter experiments with liquid xenon2020

    • 著者名/発表者名
      Ozaki K.、Kazama S.、Yamashita M.、Itow Y.、Moriyama S.
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 1468 ページ: 012238

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1468/1/012238

    • オープンアクセス
  • [学会発表] 将来暗黒物質探索実験DARWINのためのハイブリッド光検出器の開発2021

    • 著者名/発表者名
      風間慎吾
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 将来暗黒物質探索実験DARWINのための密閉型液体キセノンTPCの開発_2021

    • 著者名/発表者名
      原田莉奈
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 高抵抗薄膜を用いた暗黒物質直接探索における新たな液体キセノン検出器の開発と電子ドリフト実証_2021

    • 著者名/発表者名
      山崎里奈
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] LXe_dark matter search activities in Japan and its future2020

    • 著者名/発表者名
      S. Kazama
    • 学会等名
      International Symposium of JSPS Core-to-Core program “DMNet”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Xe_DM Search activity at Nagoya2020

    • 著者名/発表者名
      M. Yamashita
    • 学会等名
      IBS and KMI Joint Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高抵抗薄膜を用いた新たな液体キセノンTPCの開発2020

    • 著者名/発表者名
      山崎里奈
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] 次世代暗黒物質探索実験のためのハイブリット光検出器の開発2020

    • 著者名/発表者名
      尾崎公祐
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] 暗黒物質探索実験のための低ダークカウントSiPMの開発2020

    • 著者名/発表者名
      尾崎公祐
    • 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」2020年度オンライン領域研究会
  • [学会発表] 高抵抗薄膜を用いた新たな液体キセノンTPCの開発2020

    • 著者名/発表者名
      山崎里奈
    • 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」2020年度オンライン領域研究会
  • [備考] DARWIN

    • URL

      https://darwin.physik.uzh.ch

  • [備考] 名古屋大学 宇宙地球環境研究所 宇宙線研究部(CR研究室)暗黒物質直接探索

    • URL

      https://www.isee.nagoya-u.ac.jp/CR/research/direct_dm/

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公開日: 2021-12-27  

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