2018 Fiscal Year Annual Research Report
ニュートリノ観測から制約する核－マントルの化学組成
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
|---|
| Project/Area Number |
15H05833
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
田中 宏幸 東京大学, 地震研究所, 教授 (20503858)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三井 唯夫 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 准教授 (20283864)
山野 誠 東京大学, 地震研究所, 教授 (60191368)
飯塚 毅 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70614569)
渡辺 寛子 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 助教 (70633527)
榎本 三四郎 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員科学研究員 (90400225)
上木 賢太 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球内部物質循環研究分野, 技術研究員 (40646353)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
|
| Keywords | geoneutrino / core / mantle |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
我が国が地球ニュートリノの検出に、世界に先駆けて成功してから、10年余が経ち、データ蓄積量が地球深部における放射性元素の直接観測が可能なレベルに達している。一方、核-マントルの熱進化の理解が進んでいない。本研究ではKamLAND近傍の地球ニュートリノ流量モデリングの精度を地球科学的アプローチから向上させ、マントル中のウラン、トリウム濃度を決定する。また、到来方向検知型ニュートリノ検出器の開発を推進する。そのため、当該年度は、数百に及ぶ岩石試料の分析結果を組み合わせて、主要元素と微量元素組成の間の相関関係を見出すための作業を実施した。さらに、トモグラフィから得られる地殻浅部構造の情報及び、岩石種に依存する地震波速度情報を組み合わせることで、日本島弧地殻の岩石組成モデルを組み立てた。そのために必要となる地震波速度構造と元素組成を結びつけるための基礎データを拡充した。地下温度構造より、地球物理・岩石学のデータと最も整合的な、島弧地殻内の温度とウラン、トリウムの分布を得ることを目的として、地殻内の放射性発熱量や熱伝導率の分布の高精度化を行った。そして、これらの情報を地球ニュートリノの実測データと組み合わせ、マントル内部のウラン、トリウム濃度を地球ニュートリノ観測から決定する新たな手法の開発を行った。開発した手法を他の地球ニュートリノ観測において、ニュートリノ流量モデリングに適用できるかの検討を実施した。方向到来検知型ニュートリノ検出器開発については、プロトタイプを完成させ、ミューオンや放射線源を用いた実測値を用い、反ニュートリノ到来方向測定の測定感度を求め、中性子線源を用いたプロトタイプ検出器の検証を行い、高統計で到来方向測定の感度を求めた。 反ニュートリノ到来方向測定感度に基づいたシミュレーションに基づいて検出器をデザインした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①当初計画されていた数百に及ぶ岩石試料の分析結果を組み合わせて、主要元素と微量元素組成の間の相関関係を見出すための作業は完了した。②日本島弧地殻の岩石組成モデルを組み立てることを目的とした地震波トモグラフィと岩石種に依存する地震波速度情報を組み合わせる作業は完了した。③地下温度構造より、地球物理・岩石学のデータと最も整合的な、島弧地殻内の温度とウラン、トリウムの分布を得ることを目的として、地殻内の放射性発熱量や熱伝導率の分布の高精度化を行った。①－③の情報を地球ニュートリノの実測データと組み合わせ、マントル内部のウラン、トリウム濃度を地球ニュートリノ観測から決定する新たな手法の開発に成功し、これを国際誌に発表した。④開発した手法を他の地球ニュートリノ観測において、ニュートリノ流量モデリングに適用できるかの検討を実施した。⑤方向到来検知型ニュートリノ検出器開発については、プロトタイプを完成させ、ミューオンや放射線源を用いた実測値を用い、反ニュートリノ到来方向測定の測定感度を求め、中性子線源を用いたプロトタイプ検出器の検証を行い、高統計で到来方向測定の感度を求めた。 反ニュートリノ到来方向測定感度に基づいたシミュレーションに基づいて検出器をデザインした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
KamLAND近傍の地球ニュートリノ流量モデリングは2005年に構築されたが、地球ニュートリノ流量のうち約70%を占める地殻部分の見積もりは世界の平均的な地殻構造と放射性元素濃度が用いられており、我が国における地球科学の知見がいかされていない。我が国には、他国には見られない膨大な地震波データがあり、また地震観測井等を利用した高密度の地殻熱流量測定も実施されている。3次元の地震波度構造情報、熱流量データの整理と解析による地下温度構造モデリング、日本国内で産出される岩石試料の分析結果を組み合わせ、島弧地殻内のウラン、トリウムの3次元的な分布を精度良く求めることによって、地球ニュートリノ流量モデリングの高精度化・高信頼度化が実現できる。本年度の研究では火山岩の化学分析結果を組み合わせて、主要元素と微量元素組成の間の相関関係を見出し、トモグラフィから得られる地殻浅部構造の情報及び、岩石の地震波速度を活用することで、日本島弧地殻の岩石組成モデルを構築することで、新たな地球ニュートリノ流量モデリング技術の開発を完成させ、これをKamLANDデータに適用することで、マントルに含まれる放射性元素（ウラン、トリウム）濃度測定を世界に先駆けて行う。一方、地球の高解像度3次元マッピングを将来可能とする検出器については、これまでに、リチウム含有液体シンチレーターと高位置分解能イメージング検出器の開発結果を合わせることで地球ニュートリノの到来方向が検知できることと、その効果が示されている（Tanaka and Watanabe, Sci. Rep. 2014）。保有するリチウム化合物を用いることでプロトタイプ検出器を作成し、中性子線源による地球ニュートリノ飛跡決定のデモンストレーションを行い、革新的観測技術による到来方向検知精度を定量化することで、検出器デザインを完成させる。
|
