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Resolving the gamma-ray emission mechanism from the giant resonance of 12C and 16O and the detection of supernova neutrinos

Research Project

Project/Area Number 20K03989
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

作田 誠  岡山大学, 環境生命自然科学研究科, 特命教授 (40178596)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 俊夫  日本大学, 文理学部, 研究員 (70139070)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywords酸素炭素巨大共鳴の崩壊 / 超新星爆発ニュートリノ / ニュートリノ酸素炭素反応 / 電子酸素炭素反応 / 軽原子核の巨大共鳴 / 巨大共鳴の粒子崩壊と電磁崩壊 / 超新星爆発ニュートリノの検出 / ニュートリノ炭素・酸素助大共鳴反応 / ニュートリノ炭素・酸素準弾性反応 / 酸素原子核の巨大共鳴 / ニュートリノ酸素原子核反応 / 電子酸素原子核反応 / 酸素炭素の巨大共鳴 / 電磁遷移 / 超新星爆発 / ニュートリノ
Outline of Research at the Start

原子核は陽子と中性子の集合体であり、その間に働く強い力で原子核を作り、束縛されている。陽子中性子は個々にエネルギー準位の下から詰まっている。外部(粒子)からの相互作用で高い準位に励起されるという独立粒子的な励起と別に、陽子全体、中性子全体が相互に振動するという集団励起(巨大共鳴)も存在する。本課題は、軽い安定核の典型である炭素酸素の巨大共鳴の崩壊過程をγ線によって定量的に測定、解明することが最初の目的であり、第2の目的は、その結果を超新星爆発ニュートリノの炭素酸素標的による中性カレント反応検出に応用するものである。

Outline of Annual Research Achievements

本課題「炭素、酸素の巨大共鳴からのγ線放出機構の解明と超新星ニュートリノ検出」の初期の目的は、軽い安定核の典型である炭素、酸素の巨大共鳴領域からの粒子崩壊と直接電磁崩壊のγ線データ解析により、崩壊機構を定量的に解明すること、そして、その結果を超新星爆発からのニュートリノ検出に生かすこと、であった。水を使った超新星ニュートリノ検出器では世界最大の性能を有するスーパーカミオカンデ(SK)実験は2022年8月からが中性子識別性能(効率75%)を持たせるためガドリニウム(Gd)0.03%を純水に添加し宇宙ニュートリノ観測(SK-Gd実験)を開始した。2023年度の研究実績の概要は、3編の論文出版として研究成果にまとめた。1つ目は、我々のグループだけが持つGd中性子捕獲ガンマ線生成反応データの2つのガンマ線の角度相関を解析出版した。SK実験や暗黒物質実験でも我々のグループのGd中性子捕獲ガンマ線生成反応のエネルギー分布のシミュレーションコード(ANNRI-Gdモデル)が使われているが、今回の成果は、さらに角度相関の性質をデータと理論比較で示したものである。2つ目は、新星爆発ニュートリノの中性カレント酸素反応の内、ニュートリノ反応に大きく関わる酸素の一番低い励起状態(12.97MeV,2-,T=1)からの4.4MeVγ線生成断面積とSKでの事象数を評価し、論文出版した。3つ目は、超新星爆発ニュートリノのうちの電子型ニュートリノと酸素18(天然存在比0.205%)との荷電交換反応(CC) の断面積とSK検出事象数の評価である。このニュートリノ反応の閾値(1.66 MeV)は大変低く、かつ電子型ニュートリノに感度のある興味深い反応であり、論文出版した。このように本研究は来年度の最終年度に向けてまとまりつつある。国際会議で招待講演での成果発表も行なった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究により超新星爆発からのニュートリノ反応検出に生かすという目的に関しては、全種類のニュートリノと酸素の中性カレント反応での4.4MeVガンマ線生成断面積の評価、電子型ニュートリノと酸素18の荷電カレント反応の断面積の評価、の2編の論文出版できた。また、SK-Gd実験のために、我々のグループだけが持つGd中性子捕獲ガンマ線生成反応データの2つのガンマ線の角度相関を解析し、論文出版した。ただ、本研究開始時にコロナ禍があり、解析の学生が就職し、酸素炭素の巨大共鳴のデータの解析が進んでいないのは、反省点である。その分、他のテーマの論文成果に集中した。国際会議で招待講演での成果発表も行なった。

Strategy for Future Research Activity

本研究により超新星爆発からのニュートリノ反応検出に生かすという目標に関しては、延長した最後の1年で出版論文をさらにまとめるのみである。現在、反電子型ニュートリと酸素の(一番エネルギー凖位の低いT=1励起状態)の荷電カレント反応の電子スペクトルとガンマ線生成の同時計測の提案論文と、全種類のニュートリノと酸素の中性カレント反応での高エネルギーガンマ線生成(12.97MeV,12.53MeV)の論文を作成中である。さらに、我々のグループだけが持つGd中性子捕獲ガンマ線生成反応データのガンマ線エネルギー分布を検出効率補正し、論文出版準備中である。

Report

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

    (34 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (15 results) Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 8 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 8 results)

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    • Author(s)
      Pierre Goux, et al.(21名、M.Sakuda Corresponding author)
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2023 Issue: 6 Pages: 1-21

    • DOI

      10.1093/ptep/ptad059

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  • [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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  • [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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  • [Journal Article] Roles of Spin-dependent Transitions in Nuclei on Astrophysical Processes in Stars2022

    • Author(s)
      T. Suzuki, M. Honma, N. Shimizu, T. Otsuka, K. Mori and T. Kajino
    • Journal Title

      JPS Conference Proceedings

      Volume: 37 Pages: 1-6

    • DOI

      10.7566/jpscp.37.020903

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  • [Journal Article] Search for direct γ rays from the giant resonances in 12C excited by the (p,p’) reaction2022

    • Author(s)
      M.S. Reen, T. Sudo, M. Sakuda, et al.,(21名)
    • Journal Title

      Proceedings of the 65th DAE BRNS Symposium on nuclear physics

      Volume: 65 Pages: 445-446

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  • [Journal Article] Search for direct gamma rays from the giant resonances in 12C excited by the (p,p') reaction2021

    • Author(s)
      Mandeep Reen, M.Sakuda他(総著者数22名)、
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      Proceedings of the DAE Symposium on Nuclear Physics

      Volume: 65 Pages: 445-446

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  • [Journal Article] Search for Tens of MeV Neutrinos associated with Gamma-Ray Bursts in Super-Kamiokande2021

    • Author(s)
      A. Orii et al., Super-Kamiokande Collaboration
    • Journal Title

      PTEP

      Volume: 10 Issue: 10 Pages: 1-19

    • DOI

      10.1093/ptep/ptab081

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    • Author(s)
      A.Takenaka他、M.Sakuda(160番目)(スーパーカミオカンデ共同実験、共著者約210名)
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 102 Issue: 11 Pages: 112011-112011

    • DOI

      10.1103/physrevd.102.112011

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  • [Journal Article] Gamma-ray spectra from thermal neutron capture on gadolinium-155 and natural gadolinium2020

    • Author(s)
      T. Tanaka, k. Hagiwara, (M.Sakuda*主著者2名の1人、他21名)
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics (PTEP)

      Volume: 2020 Issue: 4

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa015

    • NAID

      120006885858

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  • [Journal Article] Evaluation of gadolinium’s action on water Cherenkov detector systems with EGADS2020

    • Author(s)
      Marti Ll.、Ikeda M.、Kato Y.、Kishimoto Y.、Nakahata M.、Nakajima Y.、Nakano Y.、Nakayama S.、Okajima Y.、Orii A.、Pronost G.、Sekiya H. et al.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 959 Pages: 163549-163549

    • DOI

      10.1016/j.nima.2020.163549

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  • [Presentation] 4.4-MeV gamma ray production from 16O(nu,nu')16O(12.97 and 12.53 MeV) reaction2023

    • Author(s)
      Makoto Sakuda
    • Organizer
      Workshop on neutrino interaction measurements in the low-energy regime relevant for supernova neutrino detection,Oak Ridge, USA, March, 2023
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  • [Presentation] Neutrino-nucleus reactions on 16O, 18O and 40A2023

    • Author(s)
      Toshio Suzuki
    • Organizer
      Workshop on neutrino interaction measurements in the low-energy regime relevant for supernova neutrino detection, Oak Ridge, USA, March, 2023
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  • [Presentation] Electroweak Interaction with 16O in the low-energy regime relevant for supernova neutrino detection2023

    • Author(s)
      Makoto Sakuda
    • Organizer
      Marciana2023 Workshop, Sep. 3-8, 2023, Italy
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  • [Presentation] 4.4-MeV gamma ray production from 16O(nu,nu’)16O(12.97 and 12.53 MeV) reaction2023

    • Author(s)
      Makoto Sakuda
    • Organizer
      Workshop on neutrino interaction measurements in the low-energy regime relevant for supernova neutrino detection, March 6-10,2023, Oak Ridge National Laboratory, USA
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  • [Presentation] Neutrino-nucleus reactions on 16O, 18O and 40Ar2023

    • Author(s)
      Toshio Suzuki
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      Workshop on neutrino interaction measurements in the low-energy regime relevant for supernova neutrino detection, March 6-10,2023, Oak Ridge National Laboratory, USA
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    • Author(s)
      Makoto Sakuda
    • Organizer
      13th International Workshop on Neutrino-Nucleus Interactions in the Few GeV region, Oct 24-29, 2022, Seoul National University, Seoul, Korea
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  • [Presentation] Neutrino-nucleus reactions induced by supernova neutrinos2022

    • Author(s)
      Toshio Suzuki
    • Organizer
      International School of Nuclear Physics, 43rd Course, Neutrinos in Cosmology, Astro Particle and Nuclear Physics,2022
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Shell Evolution and Structure of Two-Neutron Halo in Exotic Nuclei2022

    • Author(s)
      Toshio Suzuki
    • Organizer
      The 28th International Nuclear Physics Conference (INPC2022), Sep 11-16, 2022, Cape Town
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Search for direct gamma rays from the giant resonances in 12C excited by the (p,p') reaction2021

    • Author(s)
      Mandeep Reen
    • Organizer
      The 65th DAE-BRNS National Symposium on Nuclear Physics, Dec.1-5, 2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

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

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