High Energy Neutrino Universe explored by IceCube-Gen2

• Project/Area Number: 18H05206
• Research Category: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 吉田 滋 千葉大学, ハドロン宇宙国際研究センター, 教授 (00272518)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石原 安野 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (40568929) ; 清水 信宏 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (60869395) ; 永井 遼 千葉大学, 大学院理学研究院, 特任助教 (00801672) ; 間瀬 圭一 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (80400810)
• Project Period (FY): 2018-04-23 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥534,820,000 (Direct Cost: ¥411,400,000、Indirect Cost: ¥123,420,000); Fiscal Year 2022: ¥24,960,000 (Direct Cost: ¥19,200,000、Indirect Cost: ¥5,760,000); Fiscal Year 2021: ¥48,880,000 (Direct Cost: ¥37,600,000、Indirect Cost: ¥11,280,000); Fiscal Year 2020: ¥138,710,000 (Direct Cost: ¥106,700,000、Indirect Cost: ¥32,010,000); Fiscal Year 2019: ¥231,660,000 (Direct Cost: ¥178,200,000、Indirect Cost: ¥53,460,000); Fiscal Year 2018: ¥90,610,000 (Direct Cost: ¥69,700,000、Indirect Cost: ¥20,910,000)
• Keywords: 宇宙線 / ニュートリノ / 素粒子実験 / 南極 / 超高エネルギー宇宙線 / ニュートリノ天文学 / マルチメッセンジャー天文学

Outline of Annual Research Achievements

D-Egg の第３弾(Batch 3)検出器の製作を完了し、総計310台のD-Egg 検出器の製作が完了した。製作した検出器の低温環境化での負荷と性能を測定・評価し、南極に出荷する検出器を選別する大規模試験 FAT(Final Acceptance Test)を開始した。氷点下60度にまで冷却できる大型冷凍庫内にD-Egg 検出器を設置し、レーザー光源からの紫外光を照射して信号応答やノイズレベルを測定する。データ収集系や解析システムはほぼ自動化され、最終的な結果はデーターベースに記録される。今年度末までに105台の評価を完了した。

マルチメッセンジャー天文学を開拓する新しいニュートリノ同定の手法として、ある一定期間(典型的には30日程度)に同一方向から複数のニュートリノ信号が飛来する事象を探索する「マルチプレット」手法について開発研究を進めた。ニュートリノ放射天体モデルへの知見や、光赤外追観測による対応天体同定手法についてシミュレーション研究による見積もりを終え、予想される感度について論文をAstrophysical Journal 誌に出版した。

10PeVを超えるエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙ニュートリノ探索は、必要なシミュレーションデータの生成を終え、最終的な同定アルゴリズムの構築に入った。先行研究にはない新しい切り口として、ミューオンのエネルギー損失のプロファイルを用いて大気ミューオン束雑音を除去する新手法に取り組んでいる。また生成されたシミューレーションデータを用いて IceCube-Gen2 実験の予想感度も導出した。この結果はIceCube-Gen2 white paper としてJournal of Physics 誌に出版した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新型コロナ感染症による遅延はあったが、その困難を乗り越えて、全てのD-Egg検出器の製作を完了し、最終選別試験の開始にまでこぎつけたことは一定の達成である。またニュートリノマルチプレット解析など、新たな発想によってブレークスルーを出すための種まきとなるテーマも推進し、論文出版にまで至ったことも評価できる。

Strategy for Future Research Activity

D-Egg の FAT を進め、全310台の検出器の試験と選別を完遂する。南極に輸送し、埋設を進め、IceCube Gen2 フェーズワン実験による観測を開始する。
またフェーズ2に向けたプロトタイプ検出器の開発と製作も行う。

ニュートリノマルチプレット解析については、アーカイブデータを用いた解析を行い、結果を論文にまとめるとともに、リアルタイムアラート送信を開始する。

超高エネルギー宇宙ニュートリノ探索は12年間におよぶ観測データを使った解析を完遂し、論文にまとめる。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Int'l Joint Research] UW Madison/Maryland/MSU(米国)
• [Int'l Joint Research] DESY/University of Uppertal/Munster(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] SKKU(韓国)
• [Int'l Joint Research] UW-Madison/Maryland/MSU(米国)
• [Int'l Joint Research] DESY/University of Uppertal/Munster(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] SKKU(韓国)
• [Int'l Joint Research] UW-Madison/Maryland University/MSU(米国)
• [Int'l Joint Research] DESY/University of Wuppertal/Munster(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] SKKU(韓国)
• [Int'l Joint Research] UW-Madison/Maryland University/MSU(米国)
• [Int'l Joint Research] DESY/University of Wuppertal/Munster(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] SKKU(韓国)
• [Journal Article] Identifying High-energy Neutrino Transients by Neutrino Multiplet-triggered Follow-ups (2022)
  • Author(s): Shigeru Yoshida, Kohta Murase, Masaomi Tanaka, Nobuhiro Shimizu, Aya Ishihara
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 937 Issue: 2 Pages: 108-108
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8dfd
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IceCube-Gen2: the window to the extreme Universe (2021)
  • Author(s): Aartsen M G et al (IceCube Collaboration)
  • Journal Title: Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics Volume: 48 Issue: 6 Pages: 060501-060501
  • DOI: 10.1088/1361-6471/abbd48
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube (2021)
  • Author(s): The IceCube Collaboration、Aartsen M. G. et al
  • Journal Title: Nature Volume: 591 Issue: 7849 Pages: 220-224
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03256-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time-Integrated Neutrino Source Searches with 10 Years of IceCube Data (2020)
  • Author(s): A. Ishihara, 他 IceCube Collaboration
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 5 Pages: 051103-051103
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.051103
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characteristics of the Diffuse Astrophysical Electron and Tau Neutrino Flux with Six Years of IceCube High Energy Cascade Data (2020)
  • Author(s): Aartsen M.G. et al
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 125 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.121104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Constraining photohadronic scenarios for the unified origin of IceCube neutrinos and ultrahigh-energy cosmic rays (2020)
  • Author(s): Yoshida Shigeru、Murase Kohta
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 8 Pages: 083023-083023
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.083023
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] D-Egg: new optical sensors for the IceCube Upgrade and Gen2 (2020)
  • Author(s): Aya Ishihara
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. 1468 012166 Volume: 1468 Issue: 1 Pages: 012166-012166
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012166
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The use of Cherenkov light in the detection of high-energy cosmic rays and neutrinos: The Pierre Auger and IceCube Observatories (2020)
  • Author(s): Lu Lu、Yuan Tianlu
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 970 Pages: 163678-163678
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.163678
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of the Front-End Electronics for the New Optical Module “D-Egg” for IceCube-Gen2 (2019)
  • Author(s): Nagai Ryo
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 27 Pages: 011012-011012
  • DOI: 10.7566/jpscp.27.011012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differential limit on the extremely-high-energy cosmic neutrino flux in the presence of astrophysical background from nine years of IceCube data (2018)
  • Author(s): Aartsen M et al (IceCube Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 98 Issue: 6 Pages: 062003-062003
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.062003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A (2018)
  • Author(s): The IceCube Collaboration、Fermi-LAT、MAGIC、AGILE、ASAS-SN、HAWC、H.E.S.S.、INTEGRAL、Kanata、Kiso、Kapteyn、Liverpool Telescope、Subaru、Swift/NuSTAR、VERITAS、VLA/17B-403 teams
  • Journal Title: Science Volume: 361 Issue: 6398 Pages: 1378-1378
  • DOI: 10.1126/science.aat1378
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] High energy neutrino astronomy - the neutrino connections to cosmic ray origin: Present and Future (2022)
  • Author(s): Shigeru Yoshida
  • Organizer: CRIS 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photo-sensors for the South Pole Neutrino Observatory: IceCube and IceCube-Gen2 (2021)
  • Author(s): Aya Ishihara
  • Organizer: IEEE Nuclear Science Symposium on "Advanced technologies for future large-scale neutrino experiments
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] IceCube Upgrade & the Performance of the D-Egg Optical Modules (2021)
  • Author(s): Colton Hill
  • Organizer: TeVPA 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マルチメッセンジャー観測時代における高エネルギー宇宙ニュート リノ観測 (2021)
  • Author(s): 石原 安野
  • Organizer: 第12回光赤外線天文学大学間連携ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Neutrino Astrophysics: Experimental (2020)
  • Author(s): A.Ishihara
  • Organizer: AAPPS-DACG Workshop on Astrophysics, Cosmology and Gravitation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] D-Egg: new optical sensors for the IceCube Upgrade and Gen2 (2019)
  • Author(s): A. Ishihara
  • Organizer: TAUP 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-messenger astronomy with high energy neutrinos (2019)
  • Author(s): S.Yoshida
  • Organizer: SUBARU TELESCOPE 20TH ANNIVERSARY
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of radio signals from an electron beam using an ice target (2018)
  • Author(s): K.Mase
  • Organizer: ARENA2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-messenger astronomy driven by the High-energy cosmic neutrinos (2018)
  • Author(s): S.Yoshida
  • Organizer: CRIS 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Constratins on UHECR sources with 9 years of the IceCube EHE data (2018)
  • Author(s): A. Ishinara
  • Organizer: VLVnT - 2018 Very Large Volume Neutrino Telescopes
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Recent results on astrophysics and particle physics from IceCube (2018)
  • Author(s): A.Ishihara
  • Organizer: XLVIII International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of the front-end electronics for the new optical module “D-Egg” for IceCube-Gen2 (2018)
  • Author(s): R. Nagai
  • Organizer: 5th International Workshop on New Photon-Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Book] 深宇宙ニュートリノの発見 (2020)
  • Author(s): 吉田滋
  • Total Pages: 400
  • Publisher: 光文社
  • ISBN: 9784334044725
• [Remarks] ハドロン宇宙国際研究センター
  • URL: http://www.icehap.chiba-u.jp/index.html
• [Remarks] ハドロン宇宙国際研究センター
• [Remarks] ハドロン宇宙国際研究センター
• [Remarks] ハドロン宇宙国際研究センター
  • URL: http://www.icehap.chiba-u.jp/
• [Funded Workshop] AMON workshop (2019)
• [Funded Workshop] IceCube Collaboration Meeting (2019)