Development of sub-micron track search method for dark matter recoil nuclei with luminescence of nano-semiconductors in nuclear emulsion

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超微粒子原子核乾板NITは、暗黒物質候補WIMPによって期待される飛程約100nmの反跳原子核の方向を検出するために開発された超高分解能飛跡検出器である。NIT中の半導体AgBr:Iナノセンサーには飛跡が記録されるが、それと同時にAgBr:Iセンサー内では高効率な発光が起こる。本研究課題ではこの発光現象に着目し、反跳原子核の飛跡を発光からトリガーすることで、光学顕微鏡でのナノスケール飛跡探索の解析速度限界を超えた探索方法の確立を目指している。2022年度は、引き続き反跳原子核の疑似信号として低速イオンに対する発光の基礎研究を行うために、神奈川大学のイオン注入装置を用いた測定系の開発を行った。2021年度に導入した独自設計した発光分析用チャンバーを用い、光電子増倍管と分光器による単光子レベルでの発光スペクトル測定、照射位置を変えるための2軸駆動系付きイオンマスク、イオンドーズ量モニターなどの開発を行った。高真空中における液体窒素でのサンプル冷却に課題があったが、サンプルマウント部分の治具を再設計し問題なく冷却することに成功した。今後、イオンと背景事象として考えられるβ線の発光特性の違いを精密に調べ、波形や発光スペクトルからの粒子弁別について評価していく予定である。また並行して、NIT中のゼラチンに含まれるC14由来のβ線自体を低減させるために、代替の高分子ポリマーとしてポリビニルアルコール（PVA）のみを用いたNITの開発も行っている。これによって、C14を従来の24 Bq/kgから測定限界以下の10 mBq/kg以下まで低減させることに成功した。重粒子線を用いて飛跡としての検出能力を持つことは確認できたが、一方で、感度が低い、ノイズの増加などの問題があり、実用化のためには脱塩水洗の方法に課題が残っている。