Early identification of supernovae using neutrino observations at Super-Kamiokande

• Project/Area Number: 21H04989
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section B
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中畑 雅行 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (70192672)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小汐 由介 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (80292960) ; 池田 一得 東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (90583477)
• Project Period (FY): 2021-07-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥198,900,000 (Direct Cost: ¥153,000,000、Indirect Cost: ¥45,900,000); Fiscal Year 2025: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2024: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2023: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2022: ¥51,220,000 (Direct Cost: ¥39,400,000、Indirect Cost: ¥11,820,000); Fiscal Year 2021: ¥123,500,000 (Direct Cost: ¥95,000,000、Indirect Cost: ¥28,500,000)
• Keywords: ニュートリノ / 超新星爆発

Outline of Research at the Start

超新星爆発は大質量星の中心核が重力崩壊することをきっかけとして起こると考えられており、その爆発エネルギーのほとんどはニュートリノによって10秒程度で放出される。そして星の内部で衝撃波が伝搬し、数分から数十時間後に星から光が放出される。本研究ではスーパーカミオカンデにガドリニウムを導入することによって性能を向上させ、ニュートリノ事象を使って超新星の方向を正確かつ迅速に決定する。それを光学望遠鏡等を用いた観測者へいち早く知らせることによって連携観測をおこなう。

Outline of Annual Research Achievements

Super-Kamiokandeでは、2020年に硫酸ガドリニウム八水和物の総重量にして約13トンを初導入して、0.01%のガドリニウム濃度で約50%中性子捕獲効率を達成した。その後、約2年間にわたり安定したデータ取得を継続できた。2021年にはより放射性不純物の少ない硫酸ガドリニウム八水和物を安定して製造することに成功した。2022年には、納品された硫酸ガドリニウム八水和物の全ロットに対し、品質確認を行い我々の要求を満たすものであることを確認した。2022年6月から7月には、硫酸ガドリニウム八水和物の総重量にして約26トンを追加導入して、 0.03%のGd濃度で75%の中性子捕獲効率を実現させることができた。以降、安定したデータ取得のために、硫酸ガドリニウム溶解させた水の循環純化装置の改良および保守を行っている。
超新星爆発方向決定プログラムの改良では、ガドリニウムによる中性子捕獲信号を使って逆ベータ反応事象をタグし、電子散乱事象と区別することで、方向決定精度を向上させた。さらに、超新星爆発方向計算プログラムの改良により、これまで約10分かかっていた計算を数秒で行うことができ、かつ方向決定精度もより良い結果を得ることに成功した。2023年は、この新しい計算手法を超新星爆発モニターに実装を行った。
一方で、ハードウェアの改良では、これまで計算時間のボトルネックとなっていたディスクアクセスの向上のために、2022年にSSDの導入を行い、2023年にはモニタープログラムの並列処理の最適化を行うことで、計算時間の短縮を行った。これらの改良により、超新星爆発方向を含めた情報を世界発信するまでの時間が、これまで1時間かかっていたところを大幅に短縮して数分で行えるようになった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究を申請した際には、2021年度（令和3年度）に高純度硫酸ガドリニウム八水和物を製造し、2022年度（令和４年度）には0.01%から0.03%ガドリニウム濃度になるように硫酸ガドリニウム八水和物を導入するという予定であった。また、その期間に早期に超新星爆発を検知するシステム（SNWATCH)を構築するという予定であった。26トンの硫酸ガドリニウム八水和物製造では、開発した新しい製造方法を用いて、より品質の良い硫酸ガドリニウムを製造することに成功した。2022年6月1日から7月5日にかけて導入が行われた。これらは年次計画に沿っており、遅れはない。その後、水の透過率も同年9月初めごろまでには安定し、その後各種検出器の較正が行われ、順調にデータ取得が行われている。
また、SNWATCHにおいては、精度の向上と計算時間の短縮に成功している。具体的には、ガドリニウムによる中性子捕獲信号を使って逆ベータ反応事象をタグし、電子散乱事象と区別することで、方向決定精度を向上させ、モデルによっては10kpcの超新星方向決定精度を3度以内という目標を達成できた。一方で、HEALPIXという天文分野で広く使われているスカイマッピングツールを用いる新たな手法を開発し、これまでの最尤法を用いたプログラムと組み合わせ、約10分かかっていた計算を数秒で行うことに成功した。ハードウェアの改良では、これまで計算時間のボトルネックとなっていたディスクアクセスの向上のために、SSDの導入を行った。2023年には、上述の新しい方向計算プログラムの実装と、増設されたSSDを用いた並列処理の最適化を行うことで、計算時間の短縮に成功した。
以上のように研究は当初予定したスケジュールで順調に進んでおり、達成度は「順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる」と判断できる。

Strategy for Future Research Activity

硫酸ガドリニウム八水和物のSKへの導入は順調に完了した。また、これまで解析にかかる時間においてボトルネックであった超新星爆発方向計算の改良も成功し、数秒で計算結果を出せるようになった。今後の研究目標は主に次の3点である。
１）事象再構成及び事象弁別プログラムの高速化
２）オフライン解析手法の確立
３）マルチメッセンジャー天文の推進
ここで、1）の事象の再構成と事象弁別プログラムは、10kpc超新星爆発の場合、およそ1分かかっており、新たなボトルネックとなっている。方向計算と同様な手法を用いて高速化を行い、全体として観測から情報発信までの時間を1分程度に短縮する。24年度にプログラムの改良を行い、25年度の実装を目指す。２）では、超新星爆発アラームの後、より詳細かつ正確なデータ解析を行い、超新星ニュートリノの性質に関する情報を早急に論文にまとめるための準備を行う。そのため、24年度は、これまでに観測された数Mpc以内で起こった比較的近傍の超新星爆発（年に数回の頻度で起こっている）について、それら起源のニュートリノ探索を行うことで、取得した事象のエネルギー・位置・方向・時間をより迅速に正確に決定するための手順を固める。3）では、情報の早急な発信と受信を行うため、国内外を問わず観測・理論の両面での超新星爆発研究コミュニティとの連携をより一層強化していく。それにより超新星爆発におけるマルチメッセンジャー天文を推進していく。24年度は、ASSASN及びTomo-e Gozen 望遠鏡との連携を進める。並行して、理論の研究者も含めて研究会を開催する等して、マルチメッセンジャー天文の推進を行う。

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] British Columbia Institute of Technology(カナダ)
• [Journal Article] Measurement of the neutrino-oxygen neutral-current quasielastic cross section using atmospheric neutrinos in the SK-Gd experiment (2024)
  • Author(s): Sakai S. et al., Super-Kamiokande Collaboration
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 109 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physrevd.109.l011101
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for Astrophysical Electron Antineutrinos in Super-Kamiokande with 0.01% Gadolinium-loaded Water (2023)
  • Author(s): Harada M. et al., The Super-Kamiokande Collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 951 Issue: 2 Pages: L27-L27
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acdc9e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of the cosmogenic neutron yield in Super-Kamiokande with gadolinium loaded water (2023)
  • Author(s): Shinoki M., et al., The Super-Kamiokande Collaboration
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 107 Issue: 9 Pages: 092009-092009
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.092009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of ultra-pure gadolinium sulfate for the Super-Kamiokande gadolinium project (2023)
  • Author(s): K.Hosokawa 他
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2023 Issue: 1 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac170
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Searching for Supernova Bursts in Super-Kamiokande IV (2022)
  • Author(s): M.Mori 他 Super-Kamiokande collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 938 Issue: 1 Pages: 35-35
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8f41
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pre-supernova Alert System for Super-Kamiokande (2022)
  • Author(s): L. N. Machado 他 Super-Kamiokande collaboration
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 935 Issue: 1 Pages: 40-40
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac7f9c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First gadolinium loading to Super-Kamiokande (2022)
  • Author(s): Abe K et al., The Super-Kamioknade collaboration
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 1027 Pages: 166248-166248
  • DOI: 10.1016/j.nima.2021.166248
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Diffuse supernova neutrino background search at Super-Kamiokande (2021)
  • Author(s): Abe K et al., The Super-Kamioknade collaboration
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 12 Pages: 122002-122002
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.122002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] スーパーカミオカンデによるニュートリノ研究の新展開（後継計画） (2024)
  • Author(s): M. Nakahata
  • Organizer: CRCタウンミーティング
  • Invited
• [Presentation] Neutrinos (2024)
  • Author(s): Y. Koshio
  • Organizer: II Synergies at new frntiers
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] HEIMDALL+WIT (2024)
  • Author(s): L. Marti
  • Organizer: II Synergies at new frntiers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-messenger studies in Super-Kamiokande and Hyper-Kamiokande (2024)
  • Author(s): G. Pronost
  • Organizer: 日本物理学会春季大会
  • Invited
• [Presentation] SK-Gdにおける超新星爆発ニュートリノ観測の現状 (2024)
  • Author(s): M. Ikeda
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] スーパーカミオカンデにおける天の川銀河系外超新星由来のニュートリノイベント探索 (2024)
  • Author(s): F. Nakanishi
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] 0.03%Gd質量濃度のSK-Gd実験における超新星背景ニュートリノ探索の展望 (2024)
  • Author(s): M. Harada
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] SK-Gd実験における大気ニュートリノ-酸素原子核中性カレント準弾性散乱反応断面積の測定および核子-原子核反応モデルの研究 (2024)
  • Author(s): S. Sakai
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] Supernova spotting in Super-Kamiokande Gd (2023)
  • Author(s): L. Kneale
  • Organizer: NuPhys2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neutrino Experiments (2023)
  • Author(s): M. Nakahata
  • Organizer: International Center for Quantum-field Measurement Systems for Studies of the Universe and Particles(QUPosium2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] First DSNB search at SK-Gd and SN related topics SK/HK (2023)
  • Author(s): M. Ikeda
  • Organizer: Double Beta Decay and Underground Science (DBD23)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Last results from Super-Kamiokande (2023)
  • Author(s): G. Pronost
  • Organizer: The Dark World
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] First result of a search for Diffuse Supernova Neutrino Background in SK-Gd experiment (2023)
  • Author(s): M. Harada
  • Organizer: NuTel
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First result of a search for electron antineutrino in SK-Gd experiment (2023)
  • Author(s): M. Harada
  • Organizer: NNN
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Combined Super-Kamiokande and KamLAND pre-supernova alarm (2023)
  • Author(s): L. N. Machado
  • Organizer: NNN
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スーパーカミオカンデとカムランドとの合同解析による超新星爆発前兆ニュートリノモニター (2023)
  • Author(s): Z. Hu
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Presentation] Supernova monitoring status in Super-Kamiokande (2023)
  • Author(s): G. Pronost
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Presentation] Detection of supernovae, solar and geo-neutrinos - review (2023)
  • Author(s): H. Sekiya
  • Organizer: TAUP23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] First result of a search for Diffuse Supernova Neutrino Background in SK-Gd experiment (2023)
  • Author(s): M. Harada
  • Organizer: TAUP23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lowe energy extension for electron anti-enturino search in Super-Kamiokande experiment (2023)
  • Author(s): S. Izumiyama
  • Organizer: TAUP23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of the neutrino-oxygen neutral-current quasielastic cross section using atmospheric neutrinos in the SK-Gd experiment (2023)
  • Author(s): S. Sakai
  • Organizer: TAUP23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of cosmogenic Li-9 isotope production in SK-Gd (2023)
  • Author(s): M. Shinoki
  • Organizer: TAUP23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhancing atmospheric background reduction using convolutional neural networks in DSNB searches at Super-Kamiokande Gd (2023)
  • Author(s): S. Samani
  • Organizer: TAUP23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Super-Kamiokande Pre-Supernova alert system and combined system with KamLAND (2023)
  • Author(s): L. N. Machado
  • Organizer: TAUP23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] WIT: low energy and supernova neutrinos for Super-Kamiokande in the SK-Gd phase (2023)
  • Author(s): L. Marti
  • Organizer: NuFact 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Super-Kamiokande galactic supernova's neutrino burst monitoring (2023)
  • Author(s): G. Pronost
  • Organizer: ICRC2023 Satellite workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Status and prospect of the SK-Gd project (2023)
  • Author(s): Y. Hino
  • Organizer: ICRC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First result of a search for Diffuse Supernova Neutrino Background in SK-Gd experiment (2023)
  • Author(s): M. Harada
  • Organizer: ICRC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of the neutrino-oxygen neutral-current quasielastic cross section using atmospheric neutrinos in the SK-Gd experiment (2023)
  • Author(s): S. Sakai
  • Organizer: ICRC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of cosmogenic 9Li in Super-Kamiokande with gadolinium loaded water (2023)
  • Author(s): M. Shinoki
  • Organizer: ICRC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of neutron tagging efficiency on 0.03% Gd mass concentration in SK-Gd experiment (2023)
  • Author(s): F. Nakanishi
  • Organizer: ICRC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Supernova neutrino detection in Super-Kamiokande and Hyper-Kamiokande (2023)
  • Author(s): Y. Koshio
  • Organizer: 3rd New Physics Opportunities at Neutrino Facilities Workshop: Astrophysical Neutrinos
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Super-Kamiokande galactic supernova's neutrino burst monitoring (2023)
  • Author(s): G. Pronost
  • Organizer: The Transient and Variable Universe 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highlights from Super-Kamiokande (2023)
  • Author(s): M. Nakahata
  • Organizer: International school of subnuclear physics (Erice School)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SK-Gd実験におけるGd質量濃度0.01%での超新星背景ニュートリノ探索 (2023)
  • Author(s): M.Harada
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] SK-GdのGd追加導入と現状 (2023)
  • Author(s): K.Hosokawa
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] SK-Gdにおける超新星爆発モデルの区別と方向決定精度の評価 (2023)
  • Author(s): Y.Kashiwagi
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] スーパーカミオカンデでの超新星ニュートリノ観測における酸素原子核反応の研究 (2023)
  • Author(s): F.Nakanishi
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] Joint Pre-Supernova Monitor with Super-Kamiokande and KamLAND (2023)
  • Author(s): Z.Hu
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] SK-Gd実験での超新星背景ニュートリノ探索における大気ニュートリノ背景事象の研究 (2023)
  • Author(s): S.Sakai
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] The Super-Kamiokande Pre-Supernova Alert System (2022)
  • Author(s): L.N.Machado
  • Organizer: 天文学会
• [Presentation] SK-Gd実験の現状と展望 (2022)
  • Author(s): Y.Koshio
  • Organizer: 天文学会
• [Presentation] 2022夏、SK-Gdによる超新星ニュートリノ高感度観測開始 (2022)
  • Author(s): M.Ikeda
  • Organizer: 日本物理学会シンポジウム
• [Presentation] SK-Gd実験のための硫酸ガドリニウム・8水和物の不純物測定 (2022)
  • Author(s): K.Hosokawa
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] SK-Gd実験における中性子同定と超新星背景ニュートリノ探索の現状 (2022)
  • Author(s): M.Harada
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] SK-Gd 実験における超新星背景ニュートリノ探索に向けた信号事象のシミュレーションとトリガー手法の検討 (2022)
  • Author(s): S.Izumiyama
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Evaluation of neutron tagging efficiency for SK-Gd experiment (2022)
  • Author(s): M.Harada
  • Organizer: ICHEP2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SK-Gd (2022)
  • Author(s): M.Vagins
  • Organizer: XXX International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (NEUTRINO2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Galactic Supernova Detction with EGADS/HEIMDALL (2022)
  • Author(s): L.Marti
  • Organizer: Synergies at new frontiers
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SK-Gd の現状と将来 (2022)
  • Author(s): K.Ieki
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] EGADS/HEIMDALL - a galactic core collapse supernova detctor (2022)
  • Author(s): L.Marti
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Super-Kamiokande Supernova monitoring upgrade with Gd neutron capture (2022)
  • Author(s): G.Pronost
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スーパーカミオカンデによる超新星爆発警報のための超新星爆発モデルを用いた検出器応答シミュレーション (2022)
  • Author(s): Y.Kashiwagi
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] SK-Gdにおける超新星ニュートリノと酸素原子核との反応についての研究 (2022)
  • Author(s): F.Nakanishi
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] SK-Gd実験におけるAm/Be線源を用いた中性子検出効率評価 (2022)
  • Author(s): M.Harada
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] SK-Gd報告 (2022)
  • Author(s): K.Hosokawa
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第8回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] SK-Gd実験におけるGd質量濃度0.01%での超新星背景ニュートリノ探索 (2022)
  • Author(s): M.Harada
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
• [Presentation] Pre-Supernova Alert System for Super-Kamiokande with Gadolinium (2021)
  • Author(s): L.N.Machado
  • Organizer: Probe into core-collapse SuperNovae via Gravitational-Wave and neutrino signals (SNeGWv2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The New Phase of Super-Kamiokande: SK-Gd (2021)
  • Author(s): A.Goldsack
  • Organizer: NuFact 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of the Pre-Supernova Alert System for Super-Kamiokande (2021)
  • Author(s): L.N.Machado
  • Organizer: NuFact 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Supernova neutrino detection in Super-Kamiokande (2021)
  • Author(s): Y.Koshio
  • Organizer: INT workshop New Directions in Neutrino Flavor Evolution in Astrophysical Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スーパーカミオカンデアップグレード (2021)
  • Author(s): H.Sekiya
  • Organizer: 日本物理学会シンポジウム
• [Presentation] SK-Gdにおける超新星観測の現状と展望 (2021)
  • Author(s): Y.Nakajima
  • Organizer: 日本物理学会シンポジウム
• [Presentation] 超新星背景ニュートリノ精密測定 (2021)
  • Author(s): Y.Koshio
  • Organizer: 日本物理学会シンポジウム
• [Presentation] Super-Kamiokande Supernova monitoring upgrade with Gd neutron capture (2021)
  • Author(s): G.Pronost
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] SK-Gd実験におけるAm/Be線源を用いた中性子検出効率評価 (2021)
  • Author(s): M.Harada
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Status of Super-Kamiokande Gadolinium project (2021)
  • Author(s): M.Ikeda
  • Organizer: TAUP2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SK-Gd looks forward (2021)
  • Author(s): L.Marti
  • Organizer: ICRC2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スーパーカミオカンデにおける太陽ニュートリノ観測とSK-Gdの現状 (2021)
  • Author(s): K.Ieki
  • Organizer: ICRR共同利用研究成果発表会
• [Remarks] スーパーカミオカンデ超新星爆発ニュートリノ観測による爆発天体の早期特定
  • URL: https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/~nakahata_s/kakenhi-kibanS/