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Theoretical study on supernova neutrinos

Research Project

Project/Area Number 20K14457
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research InstitutionTokyo University of Science (2021-2023)
Tohoku University (2020)

Principal Investigator

加藤 ちなみ  東京理科大学, 創域理工学部先端物理学科, 助教 (40850946)

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: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords超新星爆発 / ニュートリノ / ニュートリノ振動 / 大質量星 / 超新星ニュートリノ / 前兆ニュートリノ / ニュートリノ集団振動
Outline of Research at the Start

大質量星が進化の最期に起こす超新星爆発には未だに多くの未解明な点が残されている.その解明に大きく貢献するのが,大質量星の進化に強く関与するニュートリノの観測である.近年,観測技術の発展によってより詳細なニュートリノの観測が可能になり,現実的な超新星ニュートリノの理論予想が求められている.これまでの理論研究では,大質量星の進化を3つの段階に分けて個別に扱ってきた.しかし,近傍の超新星爆発であれば全段階のニュートリノを連続的に観測できる.そこで,本研究では,各段階でのニュートリノ放出の精密化を行ったうえで,全段階にわたる首尾一貫したニュートリノ光度・スペクトルの長時間計算を目標とする.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では大質量星がたどる①準静的進化および重力崩壊、②超新星爆発、そして③原始中性子星冷却の各段階において足りない物理を補いつつ、全ての段階から放出されるニュートリノについて矛盾なく包括的に扱うことを目的としている。
今年度は、昨年度に引き続いて②・③段階で重要となる「ニュートリノ集団振動」の基礎研究を主に行った。具体的には、物質によるニュートリノの吸収・放出反応が集団振動の非線形挙動に与える影響の調査と、衝突不安定型集団振動によるニュートリノフレーバーのスワップ現象の解明を行った。前者の研究では、結果として、初期は集団振動による不安定的なフレーバー変換により熱平衡から離脱していくのに対し、不安定が落ち着いた後期では物質による吸収・放出反応によって熱平衡状態へ戻るという進化が一貫してみられた。この一連の進化にはエネルギー依存性があり、高エネルギーであるほどより大きなフレーバー変換が起こるため、後期の物質反応を通して集団振動がない場合よりもより多くの熱を物質に与えることができることを示した。これは、爆発のダイナミクスに影響を与えうる重要な結果である。後者の研究では、ニュートリノと物質の反応によって不安定的にフレーバー変換が起こる衝突不安定型集団振動に注目した。そして、電子型と重レプトン型のニュートリノが初期状態と終状態で完全に入れ替わる「フレーバースワップ」を発見した。両型のニュートリノでは爆発のダイナミクスにおける役割が異なるため、フレーバースワップの発見は超新星爆発の理解において非常に重要である。さらに、原始中性子星内部で集団振動が起こりうるかの調査も行い、現在論文を執筆中である。
昨年度に引き続いて③段階におけるより詳細なニュートリノ放出を計算するために、原始中性子星冷却の計算コードにおけるニュートリノ輸送計算方法や対流の取り扱いについて改良を行っている最中である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度はニュートリノ集団振動の非線形挙動に関する非常に面白い現象(フレーバースワップ)が発見されたため、当初の予定を変更して本現象の誘発条件やダイナミクスの解明などに取り組んだ。予定は変更したが、本現象の解明は当初の目的である超新星爆発由来のニュートリノの取り扱いの精密化の一環であり、しっかりと同目標に向かって進展している。

Strategy for Future Research Activity

今年度も当面はニュートリノ集団振動の非線形挙動に関する調査を行う予定である。まず、電子-ニュートリノ散乱が集団振動の非線形挙動へ与える影響の調査を行う。本反応では物質との大きなエネルギー交換があるため、吸収・放出反応と同様に非線形挙動が本大きく変更されると予想される。そこで、電子-ニュートリノ散乱が集団振動の非線形挙動に与える影響の調査を行い、爆発のダイナミクスへの影響について議論する。また、非一様なバックグラウンドにおけるニュートリノ集団振動が持つ「乱流的な性質」にも注目する。非一様なニュートリノバックグランドに対してニュートリノ集団振動を取り入れたニュートリノ輸送計算を行うと、準定常になった際に波数空間に特徴的なスペクトルが現れる。このスペクトルは乱流におけるコルモゴロフ型スペクトルと非常に似ている特徴を示しており、乱流理論における解析手法が集団振動に対しても適用可能であると考える。そこで、非一様バックグラウンドにおける集団振動の数値計算を行い、それに対して乱流解析を行うことで、非一様バックグラウンドにおける集団振動の波数スペクトル形成のメカニズムの解明や準定常状態の予想などに取り組む予定である。
その一方で、原始中性子星内部におけるニュートリノ集団振動の調査についても昨年度に引き続いて進めていく予定である。まずは、現在執筆中の原始中性子星内部における集団振動誘起の可能性に関する論文を優先して行い、その発展として対流の効果を取り入れた場合にどのようにその誘起可能性が変更されるのかを調査する。
最後に、原始中性子星冷却の数値計算コードの改良についても昨年度に引き続いて行う。

Report

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

    (23 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] プリンストン大学(米国)

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  • [Int'l Joint Research] モナッシュ大学(オーストラリア)

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  • [Journal Article] Flavor conversions with energy-dependent neutrino emission and absorption2023

    • Author(s)
      Kato Chinami、Nagakura Hiroki、Zaizen Masamichi
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 108 Issue: 2 Pages: 23006-23006

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.023006

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of energy-dependent scatterings on fast neutrino flavor conversions2022

    • Author(s)
      Kato Chinami、Nagakura Hiroki
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 106 Issue: 12 Pages: 123013-123013

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.123013

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Neutrino Transport with the Monte Carlo Method. II. Quantum Kinetic Equations2021

    • Author(s)
      Chinami Kato, Hiroki Nagakura and Taiki Morinaga
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Supplement Series

      Volume: 257 Issue: 2 Pages: 55-55

    • DOI

      10.3847/1538-4365/ac2aa4

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Theoretical Prediction of Presupernova Neutrinos and Their Detection2020

    • Author(s)
      Kato C.、Ishidoshiro K.、Yoshida T.
    • Journal Title

      Annual Review of Nuclear and Particle Science

      Volume: 70 Issue: 1 Pages: 121-145

    • DOI

      10.1146/annurev-nucl-040620-021320

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The sensitivity of presupernova neutrinos to stellar evolution models2020

    • Author(s)
      Kato Chinami、Hirai Ryosuke、Nagakura Hiroki
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 496 Issue: 3 Pages: 3961-3972

    • DOI

      10.1093/mnras/staa1738

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Neutrino Transport with Monte Carlo Method. I. Toward Fully Consistent Implementation of Nucleon Recoils in Core-collapse Supernova Simulations2020

    • Author(s)
      Kato Chinami、Nagakura Hiroki、Hori Yusuke、Yamada Shoichi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 897 Issue: 1 Pages: 43-43

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab97b2

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      Chinami Kato
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      Chinami Kato
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    • Author(s)
      加藤ちなみ、長倉洋樹、財前真理
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      加藤ちなみ、長倉洋樹
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  • [Presentation] 物質衝突がニュートリノ集団振動に与える影響の調査2022

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      加藤ちなみ,長倉洋樹,森長大貴
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      加藤ちなみ,長倉洋樹,森長大貴
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    • Author(s)
      加藤ちなみ
    • Organizer
      地下宇宙領域研究会
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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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