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大局的に描く中性子星形成過程の高密度核物質とニュートリノ放出の様相

Research Project

Project/Area Number 20K03973
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

中里 健一郎  九州大学, 基幹教育院, 准教授 (80609347)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Keywords超新星ニュートリノ / 重力崩壊型超新星爆発 / 原始中性子星冷却 / ブラックホール / 核物質状態方程式 / 超新星背景ニュートリノ / 原始中性子星
Outline of Research at the Start

太陽の約10倍以上の質量を持つ恒星はその進化の最後に重力崩壊を起こし、中心部で原子核密度を超えると、核力の斥力芯によってバウンスし衝撃波を生じると同時に大量のニュートリノ(超新星ニュートリノ)を放出する。その結果として超新星爆発が起こると中性子星が形成されると考えられている。本研究課題では、これまであまり研究されてこなかった、数十秒にわたる長いスケールの時間変動に着目して、超新星ニュートリノのスペクトルを数値シミュレーションに基づき予測する。さらに、超新星中心部に存在する高密度核物質の性質(状態方程式)が放出されるニュートリノにどのような影響を与えるのか、系統的かつ包括的に明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

過去に起こった重力崩壊型超新星爆発が放出したニュートリノは、宇宙からの背景放射として観測できると期待されており、超新星背景ニュートリノと呼ばれている。本年度は、最近の銀河の化学進化に基づくモデルを用いて、超新星背景ニュートリノの検出予測を行なった。このモデルでは、(1) 楕円銀河など過去の宇宙に多く存在したタイプの銀河は、相対的に重い星の割合が大きい初期質量関数を持つ、(2) 18太陽質量以上の星は超新星爆発を起こさずにブラックホールを形成する、という特徴を持つ。また今回の検出予測では、個々の超新星・ブラックホール形成から放出されるニュートリノのスペクトルについては、本研究課題の成果としてこれまでに得られたデータを用いた。結果として得られた背景ニュートリノのスペクトルは、従来の典型的なスペクトルと比較して、低エネルギー領域では上記 (1) の特徴を反映して、高エネルギー領域では (2) の特徴を反映して、それぞれ超過が見られた。特に低エネルギーニュートリノについては、SK-Gd における感度向上や KamLAND など液体シンチレーション型検出器による実験から、今回の理論モデルの検証につながるデータが得られることを期待したい。
また本年度は、飽和密度以下の原子核物質の性質が、原始中性子星の冷却に伴うニュートリノ放射に与える影響についても調べた。異なる処方によって作成された状態方程式テーブルを用いてニュートリノ放射のシミュレーションを行ない、放射量の時間発展の違いを比較した結果、核統計平衡を仮定した場合、Thomas-Fermi 法を用いた場合よりもニュートリノ放射の継続時間が短くなり、エネルギーも低くなった。特に、時間発展にみられた状態方程式の違いは中性子星質量による違いと区別可能なものであった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

新型コロナウイルス感染症による影響のため、国際会議や研究会などにおける対面での発表の機会が当初の計画より不足しているものの、査読付き欧文論文誌における論文発表については当初の目標を十分に達成する成果が挙がった。特に、当初の計画に無かった銀河の化学進化モデルに基づく背景ニュートリノの理論モデル開発に関する研究についても、すでに論文出版済みであることから、当初の計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

原始中性子星の表面付近に存在するで出現する飽和密度以下の原子核物質の性質や、それがニュートリノ放射に与える影響に関して、新たな課題の発掘に取り組む。

Report

(4 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (40 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 13 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 3 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Development of analysis method for late-phase neutrino emission from the supernova in Super-Kamiokande2024

    • Author(s)
      Nakanishi Fumi、Harada Akira、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Mori Masamitsu、Nakazato Ken’ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Suwa Yudai、A. Wendell Roger
    • Journal Title

      Proceedings of science

      Volume: - Pages: 209-209

    • DOI

      10.22323/1.441.0209

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Diffuse Neutrino Flux Based on the Rates of Core-collapse Supernovae and Black Hole Formation Deduced from a Novel Galactic Chemical Evolution Model2023

    • Author(s)
      Ashida Yosuke、Nakazato Ken'ichiro、Tsujimoto Takuji
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 953 Issue: 2 Pages: 151-151

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ace3ba

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Observing Supernova Neutrino Light Curves with Super-Kamiokande. IV. Development of SPECIAL BLEND: A New Public Analysis Code for Supernova Neutrinos2023

    • Author(s)
      Harada Akira、Suwa Yudai、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Mori Masamitsu、Nakanishi Fumi、Nakazato Ken’ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Wendell Roger A.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 954 Issue: 1 Pages: 52-52

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ace52e

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Neutrino-induced reactions on 18O and implications of 18O mixture in water Cherenkov detectors on supernova neutrino events2023

    • Author(s)
      Suzuki Toshio、Nakazato Ken'ichiro、Sakuda Makoto
    • Journal Title

      Nuclear Physics A

      Volume: 1038 Pages: 122719-122719

    • DOI

      10.1016/j.nuclphysa.2023.122719

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      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Diffuse supernova neutrino background as a probe to explore the fate of stellar core collapse2023

    • Author(s)
      Ashida Yosuke、Nakazato Ken'ichiro、Tsujimoto Takuji
    • Journal Title

      Proceedings of Science

      Volume: 444 Pages: 981-981

    • DOI

      10.22323/1.444.0981

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      2023 Research-status Report
    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Detection of the 4.4-MeV gamma rays from 16O(ν, ν′)16O(12.97 MeV, 2-) with a water Cherenkov detector in supernova neutrino bursts2023

    • Author(s)
      Sakuda Makoto、Suzuki Toshio、Reen Mandeep Singh、Nakazato Ken'ichiro、Suzuki Hideyuki
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2023 Issue: 1 Pages: 1-21

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac168

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Observing Supernova Neutrino Light Curves with Super-Kamiokande. III. Extraction of Mass and Radius of Neutron Stars from Synthetic Data2022

    • Author(s)
      Suwa Yudai、Harada Akira、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Mori Masamitsu、Nakanishi Fumi、Nakazato Ken'ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Wendell Roger A.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 934 Issue: 1 Pages: 15-15

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac795e

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Exploring the Fate of Stellar Core Collapse with Supernova Relic Neutrinos2022

    • Author(s)
      Ashida Yosuke、Nakazato Ken'ichiro
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 937 Issue: 1 Pages: 30-30

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac8a46

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effects of nuclear matter and composition in core-collapse supernovae and long-term proto-neutron star cooling2022

    • Author(s)
      Sumiyoshi Kohsuke、Furusawa Shun、Nagakura Hiroki、Harada Akira、Togashi Hajime、Nakazato Ken’ichiro、Suzuki Hideyuki
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2023 Issue: 1 Pages: 1-32

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac167

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Observing Supernova Neutrino Light Curves with Super-Kamiokande. II. Impact of the Nuclear Equation of State2022

    • Author(s)
      Nakazato Ken’ichiro、Nakanishi Fumi、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Suwa Yudai、Sumiyoshi Kohsuke、Harada Akira、Mori Masamitsu、Wendell Roger A.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 925 Issue: 1 Pages: 98-98

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac3ae2

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Numerical study of stellar core collapse and neutrino emission using the nuclear equation of state obtained by the variational method2021

    • Author(s)
      Nakazato Ken’ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Togashi Hajime
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 73 Issue: 3 Pages: 639-651

    • DOI

      10.1093/pasj/psab026

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      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analytic solutions for neutrino-light curves of core-collapse supernovae2021

    • Author(s)
      Yudai Suwa, Akira Harada, Ken'ichiro Nakazato, Kohsuke Sumiyoshi
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2021 Issue: 1

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa154

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Developing an end-to-end simulation framework of supernova neutrino detection2021

    • Author(s)
      Masamitsu Mori, Yudai Suwa, Ken'ichiro Nakazato, Kohsuke Sumiyoshi, Masayuki Harada, Akira Harada, Yusuke Koshio, Roger A. Wendell
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2021 Issue: 2 Pages: 1-21

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa185

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effects of symmetry energy on the radius and tidal deformability of neutron stars in the relativistic mean-field model2020

    • Author(s)
      Jinniu Hu, Shishao Bao, Ying Zhang, Ken'ichiro Nakazato, Kohsuke Sumiyoshi, Hong Shen
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2020 Issue: 4

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa016

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Neutrino-nucleus reactions on oxygen and neon for nucleosynthesis and supernova neutrino detection2020

    • Author(s)
      Suzuki Toshio、Chiba Satoshi、Yoshida Takashi、Nakazato Ken’ichiro、Sakuda Makoto、Takahashi Koh、Umeda Hideyuki
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1643 Issue: 1 Pages: 012027-012027

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1643/1/012027

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Burst and Cosmic Background Neutrinos from Core-Collapse Supernovae2024

    • Author(s)
      Ken'ichiro Nakazato
    • Organizer
      Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics (UGAP2024)
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  • [Presentation] 超新星背景ニュートリノと宇宙化学進化2024

    • Author(s)
      中里健一郎
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
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  • [Presentation] 超新星ニュートリノの長時間計算とイベント予測のためのフレームワーク開発2024

    • Author(s)
      森正光,諏訪雄大,小汐由介,原田将之,中西史美,中里健一郎,原田了,住吉光介,Roger Wendell
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
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  • [Presentation] Diffuse supernova neutrino background as a probe to explore the fate of stellar core collapse2023

    • Author(s)
      Yosuke Ashida, Ken'ichiro Nakazato, Takuji Tsujimoto
    • Organizer
      38th International Cosmic Ray Conference (ICRC2023)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of analysis method for late-phase neutrino emission from the supernova in Super-Kamiokande2023

    • Author(s)
      Fumi Nakanishi, Akira Harada, Masayuki Harada, Yusuke Koshio, Masamitsu Mori, Ken'ichiro Nakazato, Kohsuke Sumiyoshi, Yudai Suwa, and Roger A. Wendell
    • Organizer
      XVIII International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics 2023 (TAUP2023)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] SK-Gd実験での超新星背景ニュートリノ探索結果を用いた,超新星爆発におけるブラックホール形成の検証2023

    • Author(s)
      原田将之,小汐由介,中里健一郎,芦田洋輔
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
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  • [Presentation] 超新星ニュートリノ解析コード SPECIAL BLEND による SN1987A の解析2023

    • Author(s)
      原田了,諏訪雄大,原田将之,小汐由介,中西史美,森正光,中里健一郎,住吉光介,Roger Wendell
    • Organizer
      日本天文学会2023年秋季年会
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  • [Presentation] 銀河の化学進化から予測される超新星背景ニュートリノのフラックス2023

    • Author(s)
      中里健一郎
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
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  • [Presentation] Long term behavior of supernova neutrino light curves2023

    • Author(s)
      Ken'ichiro Nakazato
    • Organizer
      Workshop on Neutrino Interaction Measurements for Supernova Neutrino Detection
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 超新星後期ニュートリノについての離散データ解析手法の開発2023

    • Author(s)
      中西史美,中里健一郎,原田将之,小汐由介,住吉光介,諏訪雄大,森正光,原田了,Roger Wendell
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
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  • [Presentation] 超新星SN1987Aからのニュートリノ信号再解析による中性子星NS1987Aのパラメータ推定2023

    • Author(s)
      原田了,諏訪雄大,中里健一郎,森正光,Roger Wendell,小汐由介,中西史美,原田将之,住吉光介
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
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  • [Presentation] 超新星爆発からのニュートリノと重力波の長時間計算2023

    • Author(s)
      森正光,諏訪雄大,中里健一郎,住吉光介,小汐由介,原田将之,中西史美,Roger Wendell,原田了
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
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  • [Presentation] 状態方程式テーブルでの原子核組成の違いによる超新星・原始中性子星への影響2022

    • Author(s)
      住吉光介,古澤峻,原田了,富樫甫,長倉洋樹,中里健一郎,鈴木英之
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
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  • [Presentation] 超新星背景ニュートリノで探る大質量星の最期2022

    • Author(s)
      芦田洋輔,中里健一郎
    • Organizer
      日本天文学会2022年秋季年会
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  • [Presentation] ニュートリノで見る生まれたての中性子星2022

    • Author(s)
      中里健一郎
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」第8回超新星ニュートリノ研究会
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  • [Presentation] Dirac-Brueckner-Hartree-Fock計算に基づいた状態方程式テーブルによる超新星および原始中性子星の数値シミュレーション2022

    • Author(s)
      住吉光介, 古澤峻, 長倉洋樹, 中里健一郎, 鈴木英之
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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  • [Presentation] 超新星後期ニュートリノ放射の解析解2021

    • Author(s)
      諏訪雄大, 原田了, 中里健一郎, 住吉光介
    • Organizer
      日本天文学会2021年秋季年会
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  • [Presentation] 超新星爆発における原始中性子星の冷却過程で観測されるニュートリノ事象の研究2021

    • Author(s)
      中西史美, 中里健一郎, 小汐由介, 原田将之, 住吉光介, 諏訪雄大, 原田了, 森正光, Roger Wendell
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
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  • [Presentation] スーパーカミオカンデで見る超新星ニュートリノバーストの時間変動2021

    • Author(s)
      中里健一郎
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
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    • Invited
  • [Presentation] Long term behavior of supernova neutrino light curves2021

    • Author(s)
      Ken'ichiro Nakazato
    • Organizer
      Probe into core-collapse SuperNovae via Gravitational-Wave and neutrino signals (SNeGWv2021)
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  • [Presentation] 原始中性子星冷却のニュートリノ観測2021

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      中里健一郎
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」第7回超新星ニュートリノ研究会
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  • [Presentation] 超新星ニュートリノライトカーブ観測における状態方程式による影響2021

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      中西史美,中里健一郎,小汐由介,原田将之,住吉光介,諏訪雄大,原田了,森正光,Roger Wendell
    • Organizer
      日本物理学会第75回年次大会
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  • [Presentation] 超新星爆発の長時間シミュレーションと解析フレームワーク開発2020

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      森正光,Roger Wendell,諏訪雄大,中里健一郎,住吉光介,小汐由介,原田将之,原田了
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
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    • URL

      https://zenodo.org/record/4632495

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  • [Remarks]

    • URL

      https://zenodo.org/record/5778224

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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