宇宙の重量の大半を占める暗黒物質の正体は何か？ 現在の素粒子標準模型を越えた超対称性理論は Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) という未発見粒子の存在を予言している。 WIMPの質量は10GeV〜TeVとされ、非常に「弱く」ではあるが原子核と相互作用して数100km/sの速度で原子核を跳ね飛ばす。 この反跳原子核を検出することでWIMPを観測可能である。

WIMPの運動が等方的なMaxwell速度分布に従っているとすると、 太陽系はWIMPが満ちている銀河を230km/secで回転運動しているため、地球はWIMPの風を受けている。 反跳方向がわかれば、検出器のノイズや中性子・γ線のバックグラウンドと信号を区別し、反跳信号が銀河に起因するものか解析して判別できる。 しかしながら、反跳原子核の速度は非常に遅く検出器中をほとんど走らないので( <<1μm:固体中)、その方向を測定することは非常に困難である。 今日まで方向感度を持った検出器がなく、WIMP探索は信号量の季節変化(10%程度)に頼らざるを得ない状況である。

高い信頼性でWIMP探索を遂行するため、我々は方向感度を持った検出器 Nano Imaging Tracker (NIT) を富士写真フィルムと共同で開発した。 NITはWIMPに跳ね飛ばされた原子核の飛跡をナノメートルの空間分解能で識別する超微粒子写真乳剤である。 NIT検出器を赤道儀により地球の自転・公転をキャンセルするように回転させれば、 WIMPに跳ね飛ばされた原子核のうち、反跳速度の大きいつまり観測の容易な原子核の飛跡は NITの中でWIMP風の方向を指し示すはずである。

超微粒子乳剤の電子顕微鏡観察　富士写真フィルム報告資料　2004年1月

修士論文　名古屋大学理学研究科　2004年 1月

「宇宙暗黒物質検出のためのナノイメージングトラッカーの開発」　修士論文発表会 名古屋大学理学研究科 2004年2月

NITによる暗黒物質の探索　物理学会 九州大学 2004年3月

WIMP Search using High Resolution Emulsion　DONUT meeting at Hawaii Univ. July 15, 2004

NIT for study of Double-Lambda Hypernuclei 　NP04, The 3rd International Workshop on Nuclear and Particle Physics at J-PARC, Aug2-4, 2004, Tokai, Ibaraki, Japan

方向感度を持った暗黒物質検出器NITの開発　物理学会 高知大学 2004年9月

NITのWIMP反跳飛跡読み出しの研究　物理学会 松山大学 2006年3月

「ダークマター探索」COE若手分野横断セミナー「ダークマター」グループ　第４回セミナー、 名古屋大学 2006年10月

SEM TEM

現像(還元)によって、平均直径40nmのAgBr結晶から、長さ約200nm・直径20nmのフィラメント状の銀が成長した。

標準現像 微粒子現像

NITでWIMP反跳原子核を捕らえられることを実証するために、 イオン注入装置(名古屋大学先端技術共同研究センター内)を使って680km/s、1200km/sのKrをBr反跳の代わりにNITに照射した。 現像し、電子顕微鏡観察を行って、以下のようなSEM写真を得た。 NITを用いて低速原子の直接観測に初めて成功し、 WIMPに跳ね飛ばされたAgやBrの原子核の飛跡を検出でき、方向感度も持つことを示した。