2022 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、ボルツマンソルバーと流体力学ソルバーを結合し、固定した時空の下での流体運動とニュートリノ輸送を軸対称下で一般相対論的に計算し、原始中性子星の中で対流がどのように起こるか、ニュートリノ光度や平均エネルギーにどのような影響があるかを定量的に調べた。またニュートリノ集団振動が生じる可能性も明らかにするとともに、3次元コードには、球座標特異性を避けるための新たな計算手法を開発し、実装した。
鷹野・富樫は、Friman-MaxwellのOne-pion exchange potentialを用いた摂動論的方法にTogashi EOSの情報を反映させることで、Togashi EOSと自己無矛盾な核子制動放射過程でのニュートリノ放射率を計算する研究に着手した。そしてテスト計算の結果、飽和密度より高密度において、妥当な放射率が得られる一方、低密度領域ではクラスター形成の影響が見えることが判明した。
中里らは大質量星の重力崩壊を起源とする背景ニュートリノスペクトルの評価を行なった。その際、核物質状態方程式による不定性だけでなく、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検出感度に与える影響も調べた。結果として、SK-Gdで10年間観測を続けることにより検出の有無から上記の不定性についてある程度の制限が得られることが分かった。
また辻本は、銀河系の異なる銀河構造成分における化学進化計算に基づき星形成環境に依存した超新星頻度とブラックホール形成頻度の評価を行い、グローバルな宇宙化学進化、宇宙星形成史の計算へと駒を進め、宇宙全体における超新星及びブラックホール形成の頻度史を解明した。
鈴木らは、超新星背景ニュートリノの計算に向けた種族合成計算コードの改良と、大質量星コアの重力崩壊に関するMuellerモデルの改良を行った。
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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に関して、3次元コードにおける球座標の特異性に起因する数値不安定が生じ、その対処のために当初予定しなかった時間を要したが、新たな手法を開発し、実装することにより解決した。ニュートリノ反応率の計算に関しては、本年度から理論計算方法の変更を行なったため、当初の予定に比べるとやや遅れているが、新しい方法におけるテスト計算結果によると、低密度でのクラスター形成の影響を除けば、妥当な結果が得られている。超新星ニュートリノの観測予想に関連するテーマでは、背景ニュートリノスペクトルが核物質状態方程式や大質量星の最期にどう依存し、検出感度がどのような影響を受けるのか、個々の要素を完全に分離することは難しいものの、おおよその傾向を理解することが出来たため、おおむね順調に進展している。宇宙化学進化と超新星背景ニュートリノを関連付ける中里・辻本の共同研究も立ち上がった。種族合成計算に関しては、既存の計算コードの改良と、コアの重力崩壊に関するMuellerモデルの計算結果を組み込むことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
多次元の超新星シミュレーションに関しては、問題は生じたが今は解決しているので、当初の予定通り進める。状態方程式と密接な関係のあるニュートリノ反応率に関しては、低密度領域における核子クラスター形成におけるニュートリノ放射率の不自然な増幅を回避する方法を検討する。そしてそれを踏まえ、Togashi EOSと自己無矛盾な核子制動放射および修正ウルカ過程のニュートリノ放射率の整備を目指す。中里と辻本は協力して、銀河の化学進化に基づく超新星発生率・ブラックホール形成率のモデルを用いて、大質量星の重力崩壊を起源とする背景ニュートリノスペクトルの評価を行なう。特に次世代のニュートリノ検出器における探索感度のみならず背景ニュートリノ観測によるモデルの検証可能性まで調べる。また、原始中性子星表面付近で出現する原子核がニュートリノ放出に与える影響についても検討する。並行して、原始中性子星冷却計算コードのニュートリノ反応率などの更新作業を進める予定である。種族合成計算に基づく超新星背景ニュートリノの評価も、単純化したモデルから始めて、さまざまな観測との整合性を議論していく。
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[Presentation] 重力崩壊型超新星の三次元数値計算の現状2022
Author(s)
岩上わかな, 滝脇知也, 中村航, 諏訪雄大, 固武慶, 原田了, 大川博督, 長倉洋樹, 赤穂龍一郎, 古澤峻, 松古栄夫, 住吉光介, 山田章一
Organizer
「富岳で加速する素粒子・原子核・宇宙・惑星」シンポジウム
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