Development of an in-flight X-ray energy calibration method using short-lived nuclei for Antarctic orbiting balloon experiments

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暗黒物質は未知の素粒子であると予想されているが、決定的な証拠の検出には至っていない。長時間南極気球飛翔でシリコン検出器を用いたGAPS実験は、背景事象フリーで反重陽子を検出することで暗黒物質を間接探索する実験であり、現行の直接探索手法、加速器探索手法と相補的である。GAPS実験ではシリコン検出器アレイによって反重陽子を捕獲し、生成される励起エキゾチック原子核からのX線を再構成することによって、粒子識別を行う。識別に必要な高いエネルギー分解能を得るためには、気球環境でも動作するシリコン検出器の冷却が必須であり、さらに飛翔中の較正が必要になる。GAPS実験では自励振動ヒートパイプとサーモサイフォンの原理を用いた冷却系を導入する。このヒートパイプでは、シリコン検出器から発生する熱を主な動力源として用いて、動作条件の厳しい気球環境下でもポンプなどのアクティブな動力源なしに駆動する。また、GAPS実験では、南極の環境保護と回収の安全の観点から、放射線源を搭載することが極めて難しい。本研究では、温泉地帯などでみられる比較的高いラジウムを含んだ鉱石から放出されているラドン-220を用いることを着想した。ラドン-220は連続的に崩壊し鉛-212となり、この鉛から放出される77 keVのX線を較正に用いる。鉛は半減期11時間で崩壊するため、観測初期にほとんどが崩壊し、背景事象として残らない。ラドンをヒートパイプ中に封入することで、全てのシリコン検出器の近傍でX線を照射することができる。本年度は、冷却のためのヒートパイプを構築し、地上でシリコン検出器が十分に冷却可能であることを実証し、シリコン検出器の性能評価を行なった。また、飛翔中の線源較正となる短寿命核の生成源としてバドガンシュタイン鉱石を検討し、含有されるウラン、トリウム系列の原子核の量をゲルマニウム検出器を用いて定量的に評価した。