新型X線ピクセル検出器で地上と宇宙から迫る相互作用の混合がないアクシオン探索実験

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: ダークマターの正体は何か？－ 広大なディスカバリースペースの網羅的研究
• 研究課題/領域番号: 21H05461
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 鶴 剛 京都大学, 理学研究科, 教授 (10243007)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2023-03-31
• キーワード: アクシオン / 暗黒物質 / SOIPIX / Ｘ線

研究実績の概要

2020年6月，XENON1T実験より太陽アクシオン起源と解釈可能な信号が初めて得られた．アクシオン以外の可能性も残るが，アクシオン起源であった場合には，電子，光子，原子核それぞれとの相互作用の混合と解釈される．アクシオンの背後の物理を探るには，相互作用ごとに特化した測定が喫緊である．そこで独自の「イベント駆動型X線SOIPIX」を用いる２つの実験，テーブルトップ型の「ISAI実験」と次世代硬X線衛星FORCEによる「ALPINE観測」を開始する．それぞれの実験は原子核または光子との相互作用に特化しており，混合の不定性が無い．ISAI実験で従来を超える感度でアクシオンを探索し，アクシオンの質量や原子核との相互作用の強さに対し，過去最高の制限をつける．さらにISAI実験で得た知見から，衛星搭載用SOIPIXの高性能化を行い，FORCE衛星とALPINE観測の実現性を高める．2年間の研究実績として，(1) 本研究開始前までに行っていた全体の構成の検討をさらに進め，それぞれのコンポーネントの間のインターフェースを決定した．(2)実験に必要な装置の導入を行った．すなわち，低温動作させ暗電流を抑えるために必要な恒温槽，太陽アクシオンの標的となるFe-57箔，必要なイベント駆動型X線SOIPIXの確保，読み出し回路基板の確保， アクティブシールドの部材の製造などである．別途確保した科研費で，カメラ部の無酸素銅やFe-57箔フォルダの製造も行った．(3) SOIPIX素子の性能向上にもつとめ，アナログ出力波形の改善を行った新しい大型素子XRPIX-Xの製造を行った．以上の開発研究から，コミッショニングに必要な準備は終了することができた．これが本研究の実績である．本研究に引き続き，同じ学術変革領域の公募研究として新たに採択されたので，太陽アクシオン観測を開始する．

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

• [雑誌論文] Discovery of Year-scale Time Variability from Thermal X-Ray Emission in Tycho’s Supernova Remnant (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Masamune、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Yamaguchi Hiroya、Tsuru Takeshi Go
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 940 ページ: 105～105
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac94cf
• [雑誌論文] Spatially resolved study of the SS?433/W?50 west region with Chandra: X-ray structure and spectral variation of non-thermal emission (2022)
  • 著者名/発表者名: Kayama Kazuho、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Tsuru Takeshi Go、Sudoh Takahiro、Inoue Yoshiyuki、Khangulyan Dmitry、Tsuji Naomi、Yamamoto Hiroaki
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 ページ: 1143～1156
  • DOI: 10.1093/pasj/psac060
• [雑誌論文] High-resolution X-ray study of supernova remnant J0453.6?6829 with unusually high forbidden-to-resonance ratio (2022)
  • 著者名/発表者名: Koshiba Yosuke、Uchida Hiroyuki、Tanaka Takaaki、Amano Yuki、Sano Hidetoshi、Tsuru Takeshi Go
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 ページ: 757～766
  • DOI: 10.1093/pasj/psac033
• [雑誌論文] Proton radiation damage tolerance of wide dynamic range SOI pixel detectors (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsunomachi Shun、Kohmura Takayoshi、Hagino Kouichi、Kitajima Masatoshi、Doi Toshiki、Aoki Daiki、Ohira Asuka、Shimizu Yasuyuki、Fujisawa Kaito、Yamazaki Shizusa、Uchida Yuusuke、Shimizu Makoto、Itoh Naoki、Arai Yasuo、Miyoshi Toshinobu、Nishimura Ryutaro、Tsuru Takeshi G.、Kurachi Ikuo
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 12191 ページ: 121910C
  • DOI: 10.1117/12.2629771
• [雑誌論文] Single event tolerance of x-ray silicon-on-insulator pixel sensors (2022)
  • 著者名/発表者名: Hagino Kouichi、Hayashida Mitsuki、Kohmura Takayoshi、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Kitajima Masatoshi、Tsuru Takeshi G.、 et al.
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 8 ページ: 046001
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.8.4.046001
• [雑誌論文] A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori Koji、Tsuru Takeshi G.、et al.
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 12181 ページ: 1218122
  • DOI: 10.1117/12.2628772
• [雑誌論文] Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the x-ray imaging and spectroscopy mission (XRISM) (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori Koji、Tomida Hiroshi、Nakajima Hiroshi、Okajima Takashi、Noda Hirofumi、Tanaka Takaaki、Uchida Hiroyuki、Hagino Kouichi、Kobayashi Shogo B.、Suzuki Hiromasa、Yoshida Tessei、Murakami Hiroshi、Uchiyama Hideki、Nobukawa Masayoshi、Nobukawa Kumiko K.、Yoneyama Tomokage、Matsumoto Hironori、Tsuru Takeshi G. et al.
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 12181 ページ: 121811T
  • DOI: 10.1117/12.2626894
• [雑誌論文] X-ray radiation damage effects on double-SOI pixel detectors for the future astronomical satellite FORCE (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitajima Masatoshi、Hagino Kouichi、Kohmura Takayoshi、Hayashida Mitsuki、Oono Kenji、Negishi Kousuke、Yarita Keigo、Doi Toshiki、Tsunomachi Shun、Tsuru Takeshi G.、et al.
  • 雑誌名: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 巻: 8 ページ: 26007
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.8.2.026007
• [学会発表] 史上最大の恒星フレアの NICER とせいめい望遠鏡によるX線・Hα 線観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上峻, 榎戸輝揚 (京大), 野津湧太 (コロラド大/東工大), 岩切渉 (千葉大), 前原裕之, 行方宏介 (NAOJ), 本田敏志 (兵庫県立大) 他
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] 星周物質の X 線精密分光解析による超新星残骸 RCW 103 の親星推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 成田拓仁, 内田裕之, 吉田敬, 鶴剛(京都大学), 田中孝明(甲南大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] 超新星残骸 G0.61+0.01 におけるジェット状爆発の観測的証拠の発見 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中優貴子, 内田裕之, 松永海, 成田拓仁, 天野雄輝, 佳山一帆, 鶴剛, 前田啓一 (京都大), 田中孝明 (甲南大), 岡朋治 (慶應義塾大), 竹川俊也 (神奈川大)
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] 超新星残骸 G359.0－0.9 の X 線解析による親星の質量制限 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松永海, 内田裕之, 成田拓仁(京都大学), 榎谷玲依(慶應義塾大学), 鶴剛(京都大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (9) (2023)
  • 著者名/発表者名: 信川久実子 (近大), 森浩二 (宮崎大, ISAS/JAXA), 冨田洋 (ISAS/JAXA), 中嶋大 (関東学院大, ISAS/JAXA), 野田博文, 林田清 (阪大), 他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] 軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (15) (2023)
  • 著者名/発表者名: 森浩二, 武田彩希 (宮崎大), 村上弘志 (東北学院大), 他 FORCE WG
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 56:MeV ガンマ線観測への応用 に向けた SOI ピクセル検出器の基礎特性評価 (2) (2023)
  • 著者名/発表者名: 橋爪大樹, 須田祐介, 深澤泰司 (広島大学), 鶴剛 (京都大学), 武田彩希 (宮崎大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] SOI 技術を用いた新型X線撮像分光器の開発 57 : PDD 構造を持つ大面積X線 SOI-CMOS 検出器 XRPIX の性能評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 泉大輔, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 川島陸斗, 眞方恒陽 (宮崎大学), 鶴 剛 他
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] 降着駆動型 X 線パルサーの軟 X 線超過放射と低電離鉄輝線の系統的な解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永井悠太郎, 榎戸輝揚, 内田裕之, 鶴剛(京都大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2023春季年会
• [学会発表] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (9) (2023)
  • 著者名/発表者名: 内田裕之, 萩野浩一, 野田博文, 林田清, 冨田洋, 森浩二, 中嶋大, 田中孝明, 鶴剛, 松本浩典, 岡島崇, 吉田鉄生, 米山友景, 石田学, 前田良知, 村上弘志, 山内誠, 廿日出勇, 信川正順, 信川久実子, 幸村孝由, 小林翔悟, 鈴木寛大, 平賀純子, 内山秀樹, 山岡和貴, 尾崎正伸, 堂谷忠靖, 常深博, 水野恒史, 他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] 広帯域X線の高感度観測衛星 FORCE：高精度の姿勢決定系の検討と汎用天文台としての位置づけ (2023)
  • 著者名/発表者名: 中澤知洋, 森浩二, 村上弘志, 久保田あや, 小林翔悟, 幸村孝由, 萩野浩一, 高橋忠幸, 馬場彩, 小高裕和, 寺田幸功, 榎戸輝揚, 内山泰伸, 佐藤寿紀, 石村康生, 北山哲, 谷津陽一, 藤田裕, 石田学, 渡辺伸, 山口弘悦, 中嶋大, 古澤彰浩, 信川正順, 太田直美, 鶴剛, 他 FORCE WG
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] SOIPIX を用いたsub-MeVガンマ線観測用の電子飛跡検出型コンプトンカメラの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加賀谷美佳, 片桐秀明, 加藤凌, 東城直美, 武田彩希, 島添健次, 鶴剛, 田中孝明, 上ノ町水紀, Lan Zhang
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] 巨大分子雲 Sgr B2 からの He-like 鉄輝線放射と高速度コンパクト雲 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中 優貴子, 松永 海, 成田 拓仁, 天野 雄輝, 佳山 一帆, 内田 裕之, 鶴 剛 (京都大), 田中 孝明(甲 南大), 岡 朋治(慶應義塾大)
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] Chandra 衛星およびXMM-Newton 衛星の観測を用いた SS 433/W50 における 粒子加速の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佳山 一帆, 鶴 剛, 内田 裕之 (京都大学), 田中 孝明 (甲南大学), 須藤 貴弘 (オハイオ州立大学), 井 上 芳幸 (大阪大学), Dmitry Khangulyan (立教大学), 辻 直美 (神奈川大学), 山本 宏昭 (名古屋大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] 超新星残骸 RX J1713.7－3946 南西部の衝撃波速度の測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中孝明 (甲南大学), 内田裕之 (京都大学), 佐野栄俊 (岐阜大学), 鶴剛 (京都大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (8) (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林翔悟 (東理大), 鈴木寛大 (甲南大), 森浩二 (宮大, ISAS/JAXA), 冨田洋 (ISAS/JAXA), 中嶋大 (関東学院大, ISAS/JAXA), 林田清, 野田博文 (阪大), 鶴剛 (京大), 他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のフライト用 CCD 素子の地上較正試験に おける分光性能の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮_啓太郎, 寺田裕太, 金丸善朗, 楠康平, 大塚芳徳, 横須晴彦, 米丸若菜, 森浩二 (宮崎大学), 青木悠 馬, 信川久実子 (近畿大学), 筆本脩介, 信川正順 (奈良教育大学), 内田裕之, 鶴剛 (京都大学), 他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] XRISM 搭載軟X線撮像検出器 SXI のイベント検出アルゴリズムのパラメタ決定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大塚芳徳, 金丸善朗, 宮_啓太郎, 楠康平, 横須晴彦, 米丸若菜, 森浩二 (宮崎大学), 信川久実子 (近畿 大学), 信川正順 (奈良教育大学), 内田裕之, 鶴剛 (京都大学), 他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] X 線分光撮像衛星 XRISM 搭載 CCD 検出器における Goffset のシミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 青木悠馬，信川久実子(近畿大)，信川正順(奈良教育大)，金丸善朗，宮崎啓太郎，楠康平，森浩二 (宮崎大)，冨田洋(JAXA)，中嶋大(関東学院大)，松本浩典，野田博文，林田清(大阪大)，鶴剛，他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] 軟X線から硬X線の広帯域を高感度で撮像分光する衛星計画 FORCE の現状 (14) (2022)
  • 著者名/発表者名: 森浩二, 武田彩希 (宮崎), 村上弘志 (東北学院), 寺田幸功 (埼玉),, 鶴剛, 他 FORCE WG
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 53:MeV ガンマ線観測への応用 に向けた SOI ピクセル検出器の基礎特性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 橋爪大樹, 須田祐介, 深澤泰司 (広島大学), 鶴剛 (京都大学), 武田彩希 (宮崎大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 54 : PDD 構造を有する X 線SOI-CMOS 検出器 XRPIX の TID 効果測定試験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩切卯月, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 泉大輔 (宮崎大学), 鶴剛, 内田裕之, 天野 雄輝, 佳山一帆, 松田真宗 (京都大学), 倉知郁生 (ディーアンドエス), 新井康夫 (KEK), 幸村孝由, 土 居俊輝, 角町駿, 武居悠貴, 清水真 (東京理科大学), 萩野浩一 (関東学院大学), 田中孝明 (甲南大学)
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] SOI 技術を用いた新型 X 線撮像分光器の開発 55:現在の到達点と今後の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鶴 剛, 内田裕之, 上ノ町水紀，池田智法，佳山一帆, 松田真宗, 天野雄輝(京都大), 森浩二, 武田彩 希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 泉大輔, 岩切卯月(宮崎大), 幸村孝由, 他
  • 学会等名: 日本天文学会 2022年秋季年会
• [学会発表] A hard X-ray complement to Athena: The prospect of hard X-ray astronomy in the 2030s and the FORCE mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Hornschemeier, Ann ; Mori, Koji ; Tsuru, Takeshi ; Nakazawa, Kazuhiro ; Ueda, Yoshihiro ; Tanaka, Takaaki ; Watanabe, Shin ; Ishida, Manabu ; Matsumoto, Hironori ; Awaki, Hisamitsu ; Okajima, Takashi ; Zhang, William ; Yukita, Mihoko ; Williams, Brian
  • 学会等名: AAS High Energy Astrophysics Division meeting #19
  • 国際学会
• [学会発表] Recent progress in development of trigger-output event-driven x-ray astronomy SOI pixel sensors (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Go Tsuru, Hiroyuki Uchida, Kazuho Kayama, Yuki Amano, Koji Mori, Ayaki Takeda, Yusuke Nishioka, Masataka Yukumoto, Kira Mieda, et al.
  • 学会等名: SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation, 2022, Montr_al, Qu_bec, Canada
  • 国際学会
• [学会発表] X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (10) (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木寛大, 小林翔悟, 森浩二, 冨田洋B, 中嶋大, 林田清, 野田博文, 内田裕之, 他 XRISM/Xtend チーム
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] 広帯域X線の高感度観測衛星 FORCE：2022年秋におけるミッション提案の現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中澤知洋, 森浩二, 村上弘志, 久保田あや, 小林翔悟, 幸村孝由, 高橋忠幸, 馬場彩, 小高裕和, 谷本敦, 寺田幸功, 榎戸輝揚, 内山泰伸, 佐藤寿紀, 石村康生, 北山哲, 谷津陽一, 藤田裕, 石田学, 渡辺伸, 山口弘悦, 中嶋大, 萩野浩一, 古澤彰浩, 信川正順, 太田直美, 鶴剛, 他 FORCE WG
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] 宇宙X線観測向けSOIピクセル検出器の大面積化におけるアナログ信号応答の改良 (2022)
  • 著者名/発表者名: 武田彩希, 森浩二, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 泉大輔, 川島陸斗, 眞方恒陽, 鶴剛, 内田裕之, 上ノ町水紀, 天野雄輝, 佳山一帆, 松田真宗, 島添健次, 高橋浩之, 幸村孝由, 角町駿, 土居俊輝, 武居悠貴, 清水真, 田中孝明, 鈴木寛大, 萩野浩一, 新井康夫, 倉知郁生
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] 宇宙X線観測向けSOIピクセル検出器の放射線耐性の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 幸村孝由, 北島隼正, 角町駿, 土居俊輝, 武居悠貴, 清水真, 萩野浩一, 鶴剛, 内田裕之, 上ノ町水紀, 天野雄輝, 佳山一帆, 松田真宗, 森浩二, 武田彩希, 西岡祐介, 行元雅貴, 石田辰徳, 岩切卯月, 泉大輔, 川島陸斗, 眞方恒陽, 田中孝明, 鈴木寛大, 新井康夫, 倉知郁生
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] 新型ピクセル型シリコン検出器による極低バックグラウンド環境での太陽アクシオン探査 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松田真宗, 藤井俊博, 鶴剛, 池田智法, 天野雄輝, 佳山一帆, 岩崎啓, 上ノ町水紀, 身内賢太朗, 小貫良行, 井上慶純, 武多昭道
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [図書] 放射素過程の基礎 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村 文隆、鶴 剛、長田 哲也、藤沢 健太、梅村 雅之、福江 純
  • 総ページ数: 384
  • 出版者: 日本評論社
  • ISBN: 453560343X