先端物理学特別研究２Ｂ （幸村）

Advanced Research in Physics 2B （幸村）

996C865

62GRRES602

内田　悠介、幸村　孝由

Takayoshi Kohmura, Yuusuke Uchida

2024年度後期

2024 second semester

集中講義

Intensive course 　

創域理工学研究科　先端物理学専攻

Department of Physics and Astronomy, Graduate School of Science and Technology

4.0単位

卒研

Graduation research

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

宇宙空間にはブラックホールや中性子星のようなコンパクト天体から，銀河や銀河団といった巨大なスケールの様々な天体がある。これらの天体の中には、太陽の数百万倍もの巨大な質量を持つものや、数億度を超える超高温状態にあるものや、10億テスラもの超強磁場を持つものなど、地上の実験環境では到底作ることができない極限の物理状態を示すものがあり、その多くは目で観える可視光や電波，赤外線に加え，Ｘ線，ガンマ線などの様々な波長（エネルギー）の電磁波を放射している。特に、天体が放射するX線を観測するには、地上ではなく宇宙望遠鏡を使う必要があり、その望遠鏡にはX線を観測するためのX線検出器が不可欠である。

物理学特別研究２Ｂでは，これらの天体の観測データのデータ解析を中心とした観測的研究，あるいは，天体からのＸ線を観測するための宇宙望遠鏡に搭載する観測装置の研究開発を行い，研究結果を修士論文としてまとめ、修士論文を発表を行う。

前者は、日本のXRISM, Hitomi, Suzaku, MAXIに加え、欧米のChandra, Swift, NICER, NuStar, RXTE, XMM-Newton, IXPEなどの宇宙望遠鏡の観測データから、X線イメージ、エネルギースペクトル、光度曲線を抽出し、天体の物理状態について導き出す。天体の観測的研究を遂行するには、学部生で勉強した力学、統計力学、量子力学、電磁気学などの知識をベースとした天体物理学の知識に加え、データ処理用にプログラミングや統計処理の知識が必要となる。さらに、最新の研究結果についての知見が必要となるため、適宜、ゼミ形式の勉強を行い、これらの知識を習得する。

後者は、2023年に打ち上た日本のX線天文衛星「XRISM」に搭載するX線CCDや、将来計画の「XRONOS」などに搭載する次世代のX線検出器としてX線CMOS、さらに、月や月周辺の放射線レベルをモニターするための放射線検出器や、医療用途（がん治療）を目標としたイメージセンサーの基礎開発を行う。具体的には、X線CCDやX線CMOS用のデータ取得システムを構築し、X線に対する基礎性能の評価を行う。X線検出器の開発を遂行するには、学部生で勉強した電磁気学、電気回路、原子核物理学などの知識をベースとした放射線とその計測技術に関する知識に加え、データ処理用にプログラミングや統計処理の知識が必要となる。さらに、最新の研究結果についての知見が必要となるため、適宜、ゼミ形式の勉強を行い、これらの知識を習得する。また、研究は主として、研究室内の真空装置、冷却装置、恒温槽、X線発生装置などの実験設備を用いることになる。ただし、大学の研究設備では実施できない特殊な実験として、共同研究先でもある高エネルギー加速器研究機構や放射線医学総合研究所、産業技術総合研究所、JAXA、理化学研究所などの学外の研究施設でも研究を行うこともある。　

There are various astronomical objects such as black holes and neutron stars, as well as huge scales of galaxies and clusters of galaxies. Some of these celestial objects, such as those with massive masses several million times the sun, those in ultra-high-temperature states exceeding several hundred million degrees, and those with ultra-high magnetic fields of one billion Tesla, etc. There are some physical states that can not be created in the experimental environment on the earth, and many of them emit electromagnetic waves of various wavelengths (energy) such as X-rays and gamma rays in addition to visible light, radio waves and infrared light. In particular, to observe X-rays emitted by celestial objects, it is necessary to use a space telescope instead of the ground telescope, and an X-ray detector for observing X-rays is indispensable for that telescope.

In Special Research 2B, graduate students will conduct observational research centering on data analysis of observation data of these celestial objects, or research and development of an X-ray detector mounted on a space telescope for observing X-rays from celestial objects. Graduate students will summarize the research results as their master thesis and present their research results at a master's thesis presentation.

For the observational research, we will extract X-ray image, energy spectrum, light intensity curve from observation data of space telescopes such as Chandra, Swift, NICER, NuStar, RXTE, XMM-Newton, IXPE in addition to XRISM, Hitomi, Suzaku, MAXI, and we will derive the physical state of the celestial objects. To carry out observational research, in addition to the astrophysical knowledge based on the knowledge of mechanics, statistical mechanics, quantum mechanics, and electromagnetism, as well as programming and statistical processing for data processing are required. Furthermore, we will study the latest research results through astronomical papers.

In the X-ray detector research field, we are planning to develop an X-ray CCD on board the X-ray astronomical satellite "XRISM", was launched in fiscal 2023 , an X-ray CMOS on the next-generation X-ray detector to be implemented in the future "XRONOS" as well as radiation sensors for radiation monitoring of the lunar and peri-moonal environment and for medical applications. We will construct the data acquisition system for X-ray CCD and X-ray CMOS, and evaluate their performance for X-ray. In order to carry out the development of the X-ray detector, the knowledge about radiation and its measurement technology based on electromagnetism, electrical circuits, nuclear physics, etc as well as programming and statistics for data processing is required. In addition, we will study on the latest research results through astronomical papers.

宇宙物理学，放射線計測学などを基盤として，適宜，文献を参照しつつ，上記の実験的研究を自ら進める能力を身につける。
本専攻のディプロマポリシー
「物理学の様々な基礎概念を結び付けることにより、自然界の本質をより深く理解するとともに、具体的な応用問題を解決することができる。」
「修得した高度な専門的知識と技術を基に、科学・技術のみならず社会における多様な情報を積極的に収集し、論理的に解決できる実践力を有することができる。」
を実現する科目の1つである。

Students acquire the ability to advance the above-mentioned experimental research by themselves, referring to literatures and papers based on astrophysics, radiation metrology, etc. as appropriate.

This class is one of the subjects that realize the diploma policy of this major,
"By combining various basic concepts of physics, we can understand the essence of nature more deeply and solve specific applied problems."
"Based on the advanced expertise and technology acquired, we can actively collect not only science and technology but also diverse information in society and have practical ability to solve logically."

天体観測的研究や天体観測を主目的とした装置開発といった研究テーマに関し，主体的に研究を進め，得られた結果に対して考察を行い，学内での研究発表を行う。

The goals of this course are to carry out independently either astronomical observation research or the developing of the X-ray detector for the astronomical observation, to consider research results, and to make research presentations on campus.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

なし

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週2回（予定）開催するゼミの予習ならびに復習を行うこと。
天体の観測的研究や装置の開発研究に関しては，不明な点は参考文献等を自ら調べ，理解が浅いと認識したら迷わず質問すること。解析・実験手順，装置の扱い方については詳細を理解しながら行うこと。

Students require to prepare and review the seminar once a week (scheduled).
For observational research on astronomical objects and development of X-ray detectors, it is recommended that students search the references etc. by themselves for any unclear points and ask questions without hesitation that you do not fully understand it. Furthermore, students are required to understand the details of analysis / procedure procedures and how to handle the equipments.

セミナーの出席とその際の議論，および日頃の研究に取り組む姿勢、さらに修士論文の研究成果をもとに評価する。　

Evaluate comprehensively based on study attitude including experiment report, presentation, discussion, and attendance,　as well as the research results of the master's thesis.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

適宜指示する。

Give instructions as appropriate, without any particular designation.

物理学特別講義2Bでは、研究テーマの基礎を身に着けることに重点を置いて研究を進める。
基本的には、週2回のセミナーを通して研究の基礎知識を習得することと、下記の研究テーマに沿って研究を行う。また、学内外での研究発表を行うことを奨励される。

【研究テーマ】
下記にある
１） 天体の観測データを用いた観測的研究
２） 天体の観測を主目的とした放射線検出器の基礎開発
を研究テーマとする。前期のうちに決めた研究テーマに基づいて研究を進める。また，
後期も，適宜，打ち合わせを行い研究内容の調整をしつつ，次のいずれかのテーマの
研究を進める。

　１）各自興味のある天体について，XRISM,  Hitomi，Suzaku，Swift，Chandra，RXTE, IXPE衛星などの
　　　Ｘ線観測用の宇宙望遠鏡の観測データに対し，パソコンを使ったデータの解析，さらに，
　　　データの統計処理なども含めた観測的研究を行う。
　　　また、X線以外の波長（可視光など）の観測データなども適宜解析を行う。　

　２）2023年に打ち上げた日本のX線天文衛星「XRISM」など現在プロジェクトとして進行している
　　　Ｘ線観測用の宇宙望遠鏡に搭載する放射線検出器（X線CCD）や，次世代の放射線検出器
　　（SOI ）、月や月周辺の放射線レベルとモニターするための放射線検出器や、医療用途（がん治療）を
　　目標としたイメージセンサなどの基礎開発研究を行う。実際に放射線を照射し，自ら開発した検出器を動作させる。

【ゼミ ： 週２回（予定）開催 】
ゼミは研究経過報告会と勉強会の2回である。
　【研究経過報告会】 ： 毎週各自が研究の経過について発表を行い、議論を行う。
　【勉強会】 ： Ｘ線天文学や放射線検出器に関する，統計学に関する教科書を使った輪読。
　　　　　　　　具体的な教科書は適宜紹介する。

これらは、今年度の修士論文の基礎となるものである。　

修士課程の2年の後期には，これまでの修士課程の1年半の間に身に着けた研究を遂行するための
基礎力をもとに研究を発展させ、修士論文を完成させる。

In Special Research 2B, graduate students will carry out their research with an emphasis on acquiring the foundation of the research theme. Basically, graduate students will acquire basic knowledge of research at seminar twice a week and carry out research in accordance with the following research themes. Graduate students are also encouraged to make research presentations on and off campus.

[Research theme]
Graduate students have two kinds of research themes on Astronomy as follows.
Students will have a meeting on research content and research plans in April, and carry out research based on the results of the meeting. In addition, we will conduct meetings as needed after September, while consulting on the research contents.

1) Observational research
Students will analyze the observation data of high-energy astronomical objects such as neutron stars and black holes and so on observed with space telescopes such as XRISM, Hitomi, Suzaku, MAXI, Chandra, Swift, NICER, RXTE and IXPE satellites.
In addition, students will also analyze observation data obtained with the other wavelengths (such as visible light).

2) Development of X-ray detectors such as X-ray CCD and X-ray CMOS for astronomical use
Students will carry out development and basic research on X-ray CCDs mounted on the X-ray astronomy satellite "XRISM" launched in 2023, the next-generation X-ray detector (X-ray CMOS), as well as radiation sensors for radiation monitoring of the lunar and peri-moonal environment and for medical applications. Specifically, students will irradiate X-rays or other radiation such as proton to X-ray CCDs or X-ray CMOS to evaluate their performance and consider methods to maximize their performance.

[Meeting (twice a week (Scheduled))]
There are two types of meetings: research progress report meetings and seminars.
1) Research progress report meeting
Students will present and discuss the progress of their research every week.
2) Study session
Students will do round reading using textbooks on X-ray astronomy and radiation detectors.　

In the second half of the master's program, graduate students develop their research based on the basic skills needed to perform the research acquired during the one and a half year of the previous master's program, and write a master's thesis.

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教科書は配布するので購入する必要はない。

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