2023 Fiscal Year Final Research Report

Research of Astro-Particle Physics by Ultra-low Temperature Technology with High Sensitivity

Planned Research

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Project Area	Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
Project/Area Number	19H05809
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Science and Engineering
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	Yoshida Sei 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (60400230)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	石徹白晃治東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 准教授 (20634504) 岸本康宏東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 教授 (30374911) 大谷知行国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (50281663) 美馬覚国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 研究員 (50721578)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2024-03-31
Keywords	極低温検出器 / ニュートリノ / 暗黒物質探索 / アクシオン / 超伝導検出器
Outline of Final Research Achievements	We firstly realized CaF2 scintillating bolometer using a superconducting sensor (MMC) for signal readout from cryogenic temperatures (around 10 mK). We achieved an energy resolution of less than 0.5% at the energy of 4.3 MeV, where is the Q-value of 48Ca double beta decay, and a particle discrimination ability of 5.5σ between α- and β-ray events when position dependence is eliminated by analysis using sequential α decay events in the CaF2 crystal. A high magnetic field (9T) environment was utilized and Q-values were measured for cavities manufactured using ultra-high purity copper/photonic assist technology and so on. The target Q-value of 1.0E+5 was achieved in the cavity using photonic-assist technology and high purity alumina crystals. The development of a KID made of Al was successfully performed by measuring the quasiparticle number counting to be able to detect the target below 10eV signal.
Free Research Field	素粒子原子核実験
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	CaF2蛍光熱量検出器のエネルギー分解能が4.3MeV付近において0.5%以下になることを実証できたことで、48Caのニュートリノレス二重ベータ崩壊事象探索においてバックグラウンドを無視できるレベルまで低減でき、高感度探索に道が拓けた。強磁場(9T)環境下で目標としたQ値1.0E+5以上の共振空胴の開発に成功し、高感度アクシオン探索実験への道を拓いた。研究期間内にアクシオン探索実験のエンジニアリングランにも成功し、当初を上回る成果を得た。10eV以下の信号を検出できる超伝導検出器（KID)の開発に成功し、B01,B02が実現した暗黒物質探索の探索範囲を低質量領域まで広げることを可能とした。