2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical research on supernova neutrinos in connection with nuclear physics and cosmic chemical evolution
| Project Area | Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics |
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| Project/Area Number |
19H05811
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
鈴木 英之 東京理科大学, 理工学部物理学科, 教授 (90211987)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 章一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80251403)
鷹野 正利 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00257198)
中里 健一郎 九州大学, 基幹教育院, 准教授 (80609347)
辻本 拓司 国立天文台, JASMINEプロジェクト, 助教 (10270456)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 超新星ニュートリノ / ニュートリノ集団振動 / 原始中性子星 / 状態方程式 / ニュートリノ放出率 / 重力崩壊型超新星爆発 / 宇宙化学進化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
山田を中心に富岳におけるボルツマンソルバーを用いた3次元シミュレーションを一層進めた。軸対称を仮定した2次元シミュレーションでは、ボルツマンソルバーと流体力学ソルバーを結合し、原始中性子星冷却における対流計算に適用した。また、アインシュタインソルバーと流体力学ソルバーの結合も行い、テスト計算を進めた。
鷹野・富樫はTogashi EOSと自己無矛盾な修正URCA過程ニュートリノ放射率をより精密に求めるため、Lowest Order Constrained Variational (LOCV)法において用いられている相関関数への境界条件を採用するように、理論の拡張を行なった。一方で、LOCV法を用いたニュートリノ放射率計算を核子制動放射過程に適用すると、標準的な温度依存性が得られないことが判明した。
中里らは、変分法に基づくモデルも含め、いくつかの核物質状態方程式を原始中性子星冷却のシミュレーションに適用し、ニュートリノ放出量に与える影響を調べた。さらにスーパーカミオカンデを念頭に、実際に銀河系内で超新星爆発が起こった場合に期待されるイベントレートの評価を行ない、イベント数の少ない場合でもニュートリノシグナルから原始中性子星内部の核物質の状態を効果的に診断する手法を見出すことにも成功した。
辻本は地球ニュートリノ発生源であるウランやトリウムを生み出す起源天体を銀河化学進化の視点から突き止めた。これらの元素はr過程元素と呼ばれ、その起源天体候補は中性子星合体と重力崩壊型超新星に絞られる。本研究からこの両者の存在が不可欠であり、それらがほぼ等しい割合で太陽系（地球）に内在するr過程元素を生み出したことを明らかにした。
鈴木らは、種族合成計算と超新星背景ニュートリノ計算を結び付ける準備として、COコアの情報とコアの重力崩壊を関連付けるフィッティング式の開発を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
多次元超新星シミュレーションは、アインシュタインソルバーのテスト計算を当初より詳細に行なったため、若干時間を要したが概ね当初の予定通り進んでいる。一方、LOCV法を利用した核子制動放射過程でのニュートリノ放射率では、標準的な温度依存性が再現できないことが判明し、研究目的であるTogashi EOSと自己無矛盾なニュートリノ放射率計算をLOCV法の利用によって実現することが難しくなり、研究方針の変更が必要となったため、当初の計画より少々遅れているといえる。超新星ニュートリノの観測予想に関するテーマでは、複数の現実的な核物質状態方程式に基づいて、通常の超新星からブラックホール形成まで一通りのニュートリノシグナルを評価し、実際の検出器におけるイベント解析法を提案することも出来たため、おおむね順調に進展している。種族合成計算に基づく超新星背景ニュートリノと化学進化の総合的な研究については、COコアの情報と超新星ニュートリノの量や中性子星・ブラックホールの質量を結び付ける手法の開発途中となっており、多少の遅れが認められる。化学進化に関する辻本の論文は掲載ジャーナルからハイライト論文に選出され、順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
超新星爆発の多次元シミュレーションについては、本質的な問題はないので、当初の予定通り進める。ニュートリノ反応率の計算については、LOCV法を利用した方法とは別の方法を検討する。具体的には、標準的なFriman-MaxwellのOne-pion exchange potentialを用いた方法を、Togashi EOSを考慮して改良することを検討する。超新星ニュートリノの観測予想に関しては、これまでに整備を進めてきた、通常の超新星からブラックホール形成までの一揃いのニュートリノデータを背景ニュートリノスペクトルの計算に適用し、核物質状態方程式による不定性を評価する。さらにブラックホールを形成する重力崩壊の割合や超新星爆発により残される中性子星の質量の違いが、次世代のニュートリノ検出器における探索の感度にどのような影響を与えるかを調べる。種族合成計算の活用に関しては、現在使用している計算コードにCOコアの情報が不足しているケースがあり、これを補うため新たなフィッティング式の開発を進める。コアの重力崩壊に関するMuellerの一次元モデルによるブラックホール形成時のニュートリノ放出量の評価方法の開発も進める。化学進化に関して、r過程元素の起源天体の同定およびその比率を銀河系へ適応された理論化学進化モデルから導出したが、これを他の銀河（近傍矮小銀河）へ理論考察を拡大することにより結果の検証と予測精度の向上が実現できるという着想を得たため、この研究を続行する予定である。
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[Presentation] Influences of Nuclear EOS on Core-collapse Supernova Simulations by the Boltzmann-radiation-hydrodynamics2021
Author(s)
Harada, A., Nagakura, H., Iwakami, W., Okawa, H., Yamada, S., Furusawa, S., Matsufuru, H., and Sumiyoshi, K.
Organizer
Probe into core-collapse SuperNovae via Gravitational-Wave and neutrino signals (SNeGWv2021)
Int'l Joint Research
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