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Elucidating the Universe's Creation with Neutrinos based on International Science Collaborations

Research Project

Project/Area Number 24K23938
Research Category

Fund for the Promotion of Joint International Research (International Leading Research )

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

中家 剛  京都大学, 理学研究科, 教授 (50314175)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 日下 暁人  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (20785703)
中平 武  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (30378575)
石塚 正基  東京理科大学, 創域理工学部先端物理学科, 教授 (40533196)
石原 安野  千葉大学, ハドロン宇宙国際研究センター, 教授 (40568929)
伊藤 好孝  名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50272521)
伊部 昌宏  東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (50599008)
早戸 良成  東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (60321535)
Project Period (FY) 2024-11-15 – 2031-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥686,400,000 (Direct Cost: ¥528,000,000、Indirect Cost: ¥158,400,000)
Fiscal Year 2030: ¥83,590,000 (Direct Cost: ¥64,300,000、Indirect Cost: ¥19,290,000)
Fiscal Year 2029: ¥93,730,000 (Direct Cost: ¥72,100,000、Indirect Cost: ¥21,630,000)
Fiscal Year 2028: ¥105,170,000 (Direct Cost: ¥80,900,000、Indirect Cost: ¥24,270,000)
Fiscal Year 2027: ¥126,230,000 (Direct Cost: ¥97,100,000、Indirect Cost: ¥29,130,000)
Fiscal Year 2026: ¥113,230,000 (Direct Cost: ¥87,100,000、Indirect Cost: ¥26,130,000)
Fiscal Year 2025: ¥97,240,000 (Direct Cost: ¥74,800,000、Indirect Cost: ¥22,440,000)
Fiscal Year 2024: ¥67,210,000 (Direct Cost: ¥51,700,000、Indirect Cost: ¥15,510,000)
Keywordsニュートリノ / 宇宙 / 素粒子 / インフレーション / 反物質
Outline of Research at the Start

宇宙初期の「量子のゆらぎ」から現在の宇宙がどう進化してきたのか、「宇宙創生の謎」を、ニュートリノ研究を基軸として素粒子物理学と宇宙物理学の研究から解明する。本国際共同研究では、 初期宇宙の研究に残った課題:インフレーション、暗黒物質の正体、物質と反物質の非対称性の起源、大質量ブラックホールの進化、にニュートリノ研究の最先端から迫っていく。最先端研究とそこで開発される実験技術(検出器、電子回路、大規模データ、AIの開発と解析)を通して若手人材を育成し、「専門性」、「国際性」、「広い視野」を兼ね備えた次世代リーダーを創出する。

Outline of Annual Research Achievements

ニュートリノ研究を基軸とし「宇宙創生の謎」を解明するため以下の研究を進めている。
ハイパーカミオカンデ実験の開始に向けて、海外研究グループと協力し、エレクトロニクスおよび光センサーの準備を進めてきた。併せて、ニュートリノ・原子核散乱のシミュレーションプログラムを開発した。欧州原子核研究機構において、水チェレンコフ検出器の実証試験を実施している。Simons Observatoryにおいては小口径望遠鏡2基が先行稼働しており、データ取得および装置性能の評価・改善を行っている。第3の小口径望遠鏡に関しては装置修正が進められ、第4の小口径望遠鏡については、設計・製造が進展している。大口径望遠鏡の設置作業も実施中である。IceCube実験では、AIによる再構築手法を開発し、オンラインアラート機能の導入を推進している。IceCube-Gen2向け光検出器のプロトタイプを作製しており、2025年7月の南極輸送を予定している。IceCube-Upgradeに向けたシミュレーション精度の向上と解析手法の開発も進行中である。XENON実験では、暗黒物質の探索結果を公表し、厳格な制限を設定する成果を得た。また、8B太陽ニュートリノによる原子核反跳の観測に成功した。将来計画であるXLZD実験に向けた開発と性能評価も行っている。理論研究では、Froggatt-Nielsen機構に基づき、ニュートリノ質量および混合角の階層構造を含むレプトンフレーバー構造の体系的解析を行った。特に、Bayesian解析を用いることで、有望なU(1)電荷割り当ての網羅的探索を実施し、理論モデルの構築と検証に貢献した。
以上の各実験に必要とされる 最先端技術(光検出器、電子回路、大規模データ、AIの開発とその解析)の開発の集約を図っている。専門性、国際性、広い視野を兼ね備えた若手人材を育成するためのプログラムを実行した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

ハイパーカミオカンデ(Hyper-K)実験では、50cm光電子増倍管(PMT)用防爆カバーの最終試験を完了し、デザインを確定した。内水槽用エレクトロニクスの試験では、所定の性能を満たすことを確認した。ニュートリノ・原子核散乱シミュレーションプログラムを改良し、電子・原子核散乱も扱えるようにして不定性評価手法を拡張した。CERNでは、小型水チェレンコフ検出器を用いたビーム照射測定を実施し、純水システムの組立・試験・監視を行った。宇宙マイクロ波背景放射(CMB)観測では、2基の小口径望遠鏡の感度不良チャンネルの原因を特定し、検出器や光学素子を交換することで目標感度を達成した。解析も進展し、CMB偏光の検出に成功した。第3望遠鏡でも光学素子の問題を解決し、大口径望遠鏡の鏡設置も進行、観測開始が近づいている。IceCube観測では、AIによる新たな再構築手法の開発を完了し、南極での速報システムへの実装試験を進めている。Gen2用光検出器プロトタイプ8台の製造と較正を終え、輸送準備中である。Upgrade向けシミュレーション精度も向上した。XENONnTでは背景低減による高感度化のための改良計画を策定し、支援を受けた研究員が現地活動を開始した。XLZD実験に向け、ラドン遮蔽実証、比例蛍光の観測、SiPMの光検出効率評価などのR&Dも進行中である。理論研究では、クォークとレプトンを同時に扱うFroggatt-Nielsen電荷の分類と、ニュートリノ質量や核子崩壊への影響を含めたBayesian解析を完了した。
以上の通り、各実験研究が順調に進んでいる。さらに、最先端技術の開発と若手育成のための、研究ワークショップ、研究発表会+最先端技術の講義を2回開催した。

Strategy for Future Research Activity

ハイパーカミオカンデ(Hyper-K)実験では、機器設計を完了し、2026年度の取り付け開始に備えて量産と並行した較正作業を進める。また、実験開始直後から解析を迅速に行えるよう、検出器全体の較正手法および解析手法の確立を進めている。これらを通じて、装置やデータ解析に精通した若手研究者の育成を図り、物理成果の早期達成を目指す。CERNでの小型水チェレンコフ検出器による測定データ解析を進めるとともに、中間水チェレンコフ検出器の設計を完成させ建設に着手した。宇宙マイクロ波背景放射(CMB)観測では、2基の小口径望遠鏡で観測を継続し、早期の成果発表に向け解析に注力している。第3・第4小口径望遠鏡や大口径望遠鏡の本格稼働に向けた準備も進めており、日本国内での受信機製作に加え、チリ観測地におけるインフラ整備を進行中である。IceCube実験では、2025年12月~2026年1月のUpgrade建設に向け、Gen2光検出器プロトタイプの試験を完了・データベース化し、較正手法とGeV領域ニュートリノ解析の開発を進めている。XENONnT検出器の改良においては、若手研究者が検出器操作を学びつつ長期観測へ移行し、暗黒物質直接検出への取り組みを強化する。XLZD計画では、ラドン遮蔽の実証や、SiPMとPMTを併用した新型センサーの開発を進行中である。理論分野では、Froggatt-Nielsen機構に加え、非可換対称性や離散対称性を含む多様なフレーバー対称性モデルに研究を拡張し、ニュートリノを通じた宇宙創成の解明を目指している。

Report

(3 results)
  • 2024 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Research-status Report
  • Research Products

    (81 results)

All 2025 2024 Other

All Int'l Joint Research (6 results) Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 14 results) Presentation (56 results) (of which Int'l Joint Research: 16 results,  Invited: 12 results) Remarks (5 results)

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      Abe Seisho
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      Physical Review D

      Volume: 111 Issue: 3 Pages: 033006-033006

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      10.1103/physrevd.111.033006

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      XENON Collaboration
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      Physical Review D

      Volume: 111 Issue: 6 Pages: 062006-062006

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      10.1103/physrevd.111.062006

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      Aprile E. et al.
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      Physical Review Letters

      Volume: 134 Issue: 11 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1103/physrevlett.134.111802

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      Abe K. 他
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      Volume: 134 Issue: 1 Pages: 1-13

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      Masahiro Ibe, Satoshi Shirai, Keiichi Watanabe
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      Volume: 03 Issue: 3 Pages: 044-044

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      Masahiro Ibe, Satoshi Shirai, Keiichi Watanabe
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      JHEP

      Volume: 03 Issue: 3 Pages: 150-150

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      Volume: 2025 Issue: 04 Pages: 010-010

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      R. Abbasi (IceCube Collaboration)
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      Volume: 981 Issue: 2 Pages: 131-131

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      10.3847/1538-4357/ada94b

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      Volume: 84 Issue: 8 Pages: 1-29

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      10.1140/epjc/s10052-024-12982-5

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      Volume: 110 Issue: 1 Pages: 1-17

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      XENON Collaboration、Aprile E. et al.
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      Volume: 133 Issue: 19 Pages: 1-11

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      R. Abbasi (IceCube Collaboration)
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      Journal of Instrumentation

      Volume: 19 Issue: 07 Pages: P07038-P07038

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      10.1088/1748-0221/19/07/p07038

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      XENON Collaboration、Aprile E. et al.
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      Physical Review D

      Volume: 109 Issue: 11 Pages: 1-17

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      10.1103/physrevd.109.112017

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      Daichi Sasaki
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    • Author(s)
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    • Author(s)
      宮田瑠太
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      宇都山光輝
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      Akifumi Chitose
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      風間慎吾
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Published: 2024-11-22   Modified: 2025-12-26  

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