宇宙重元素合成の直接実証を目指した大有効面積液体アルゴンガンマ線望遠鏡の開発

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22KJ0811
• 配分区分: 基金
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高嶋 聡 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• キーワード: コンプトンカメラ / 液体アルゴン / MeVガンマ線 / ダークマター

研究実績の概要

今年度は液体アルゴンを用いたタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）の開発に注力し、ガンマ線分光撮像の実現に向けた進展を遂げた。シンチレーション光を捉えるために、-187℃で動作する低ノイズのアンプ・センサ統合基板と4x4のSiPMを開発した。この基板は2.4x2.4cmの受光面を持ち、1チャンネルで読み出すことができ、1光電子を分解するノイズ性能を持つ。
加えて、256チャンネルのピクセル電極とSGD-ASICを搭載した基板をガスアルゴン中で運用し、検出器由来のノイズを評価した。アルファ線信号の飛跡を測定し、アルゴンの電離電子を高いS/N比で検出できる条件を特定した。
LArTPCの効果的な運用には、熱流入を防ぐ真空断熱容器が必要であり、水や酸素などの不純物がシンチレーション光や電離電子を吸収するのを防ぐシステムも重要である。3D CADソフトウェアを用いて設計した真空断熱容器には、これらの不純物を除去するフィルタを装備した。
また、アウトガスの少ない材料を使用してLArTPCを開発し、液体アルゴン中で前述の電離電子とシンチレーション光の読み出しシステムを取り付けた。外部に設置したコバルト60、セシウム137、ナトリウム22からのガンマ線を捉え、コンプトン散乱や光電吸収による電離電子群を測定した。
さらに、将来の観測衛星での宇宙ガンマ線観測に向け、検出器放射化や銀河系外のガンマ線などの幅広いバックグラウンドモデルを取り入れ、天体ガンマ線の感度計算を行った。モンテカルロシミュレーションに基づく検出器特性を反映した計算により、より現実的な観測計画を作成した。

研究成果

• [学会発表] Development of a prototype liquid argon Compton camera (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Takashima, K. Ishiwata, H. Odaka, K. Shirahama, M. Tanaka, T. Hakamada, M. Yoshimoto, S. Arai, M. Ichihashi, T. Kato, A. Bamba, K. Aoyama, T. Shimizu, H. Taniguchi, R. Nakajima, K. Yorita, T. Tamba, S. Watanabe, K. Okuma, T. Nakazawa, H. Yoneda. GRAMS collaboration
  • 学会等名: QBI2023 第５回「量子線イメージング研究会」
  • 国際学会
• [学会発表] GRAMS 実験15：液体アルゴンコンプトンカメラ実証機の開発状況 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高嶋 聡、石渡幸太、小高裕和、白濱健太郎、田中雅士、袴田知宏、善本真梨那、新井翔大、市橋正裕、加藤辰明、馬場彩、青山一天、清水虎冴、谷口 日奈子、中島 理幾、寄田浩平、丹波翼、渡辺伸、大熊佳吾、中澤知洋、米田浩基、GRAMSコラボレーション
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会