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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Search for Supernova Relic Neutrinos using a large water Cherenkov detector

Research Project

Project/Area Number 20H00162
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

小汐 由介  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (80292960)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中島 康博  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (80792704)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Keywords超新星背景ニュートリノ / スーパーカミオカンデ
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、宇宙が始まって以来、超新星爆発によって放出された超新星背景ニュートリノ(SRN)を、スーパーカミオカンデ(SK)で、世界で始めて発見することが目的である。
2023年度の成果としては、まず2020年夏に始まったSK-Gd実験における初めてのSRN探索結果を報告したことである。残念ながら世界初の発見には至らなかったが、先行研究の約5分の1の期間で、同等の探索感度を実現し、世界最高感度での探索結果となった。並行して前年度に追加導入した期間のデータ解析も進めており、予想通りの検出器性能が実現していることを示した。さらにSRN探索も鋭意、進めている。また本研究で特に重視している大気ニュートリノによる中性カレント準弾性散乱(NCQE)反応による背景事象の精密観測の報告も行った。この研究により、反応断面積の測定に加え、中性子と酸素原子核反応に対する新たな知見を得ることにも成功した。
この NCQE反応は、素性のよくわかったニュートリノビームを同じSK検出器で捉えるT2K実験でも測定することが可能である。T2K実験では、過去に取得したデータ再解析を進めており、NCQE解析手法は確立できた。本研究では、T2K実験における NCQE反応の精度をさらに上げるために、ニュートリノビームフラックスの不定性を削減する NA61/SHINE実験と、酸素原子核と核子とのビーム実験も進めている。前者では、前年度に取得した新たなデータ解析を進めており、今年度までに基本的な検出器較正の解析は完了した。また後者では、まず大阪大学核物理研究センター(RCNP)で過去に取得した中性子と酸素原子核の反応を測定する実験結果を論文として出版した。さらに、理化学研究所の RIBF を用いた全く新たな実験を実施すべく、関係する研究者と議論を進め、実験が提案できる段階まで進んだ。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今年度は、本研究の実験結果に関する論文を3本出版した。まず、当初の研究計画では研究最終年度の来年度に出版する予定のSK-Gd実験におけるSRN探索の論文を、1年前倒しで出版することができた。残念ながら世界で初めての発見には至らなかったが、現時点での世界最高感度での探索結果であるとともに、SK-Gd実験が超新星背景ニュートリノ探索では、世界で最高の性能を持つことを実証した。
また、本研究での背景事象である大気ニュートリノによる NCQE 信号の確認、及び、そのデータを用いた中性子・酸素原子核反応モデルの決定に示唆を与える論文も出版した。この結果は、世界で初めて当該反応モデルの検証を系統的に行った研究成果である。
さらに過去のRCNPで行った中性子・酸素原子核反応実験の論文も出版された。この実験は世界で始めて、数10MeVから数100MeV中性子と酸素原子核との反応を系統的に測定するものであり、様々な原子核反応の断面積を精密に導出した。
後者2本の論文は、宇宙物理学・素粒子物理学から原子核物理学まで広がる研究テーマの創出とも言える成果である。
他にも超新星爆発の理論に関する論文、また超新星背景ニュートリノのレビュー論文など、本研究に関係する論文を立て続けに出版することができた。
以上の研究成果から、当初の計画以上に進展していると評価した。

Strategy for Future Research Activity

SK-Gd実験での SRN 探索では、初期データの結果を報告できたが、さらに硫酸ガドリニウムを追加導入したフェーズでのデータ解析を鋭意行なっており、来年度には報告できるように進めていく。
T2K実験では、新たな NCQE の解析手法を用いて過去のデータを再解析することで、特に特に中性子と酸素原子核反応による不定性を削減した結果を来年度に報告できるように研究を進める。
NA61/SHINE実験では、2022年度に行った陽子とT2Kレプリカ標的(炭素)とのハドロン反応により発生するK粒子測定実験のデータ解析を進め、来年度中に最初の結果を導出するべく進めていく。
原子核実験については、まずRCNPの残っているデータ解析を完了し、最終結果を報告するとともに、この結果を用いた原子核反応モデルの精密化を行う。

  • Research Products

    (42 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 7 results)

  • [Int'l Joint Research] University Autonoma Madrid(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      University Autonoma Madrid
  • [Int'l Joint Research] University of California, Irvine/Boston University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      University of California, Irvine/Boston University
  • [Int'l Joint Research] Imperial College London/University of Sheffield/University of Liverpool(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      Imperial College London/University of Sheffield/University of Liverpool
    • # of Other Institutions
      2
  • [Journal Article] Measurement of the neutrino-oxygen neutral-current quasielastic cross section using atmospheric neutrinos in the SK-Gd experiment2024

    • Author(s)
      Sakai S., et. al., Super-Kamiokande Collaboration
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 109 Pages: L01101-1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.109.L011101

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Development of analysis method for late-phase neutrino emission from the supernova in Super-Kamiokande2024

    • Author(s)
      Nakanishi Fumi、Harada Akira、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Mori Masamitsu、Nakazato Ken’ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Suwa Yudai、A. Wendell Roger
    • Journal Title

      Proceedings of Science

      Volume: 441 Pages: 209 1-4

    • DOI

      10.22323/1.441.0209

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Measurement of gamma-ray production via the neutron-16O reaction using a 77 MeV quasimonoenergetic neutron beam2024

    • Author(s)
      Ashida Y.、Nagata H.、Mori M.、Collazuol G.、Fukuda D.、Horai T.、Iacob F.、Konaka A.、Koshio Y.、Nakaya T.、Nantais C.、Shima T.、Suzuki A.、Takeuchi Y.、Tanaka H.、Wendell R.、Yano T.
    • Journal Title

      Physical Review C

      Volume: 109 Pages: 014620-1-15

    • DOI

      10.1103/PhysRevC.109.014620

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Search for Astrophysical Electron Antineutrinos in Super-Kamiokande with 0.01% Gadolinium-loaded Water2023

    • Author(s)
      Harada M., et. al., The Super-Kamiokande Collaboration
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Letters

      Volume: 951 Pages: L27 1-8

    • DOI

      10.3847/2041-8213/acdc9e

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Diffuse neutrino background from past core collapse supernovae2023

    • Author(s)
      ANDO Shin’ichiro、EKANGER Nick、HORIUCHI Shunsaku、KOSHIO Yusuke
    • Journal Title

      Proceedings of the Japan Academy, Series B

      Volume: 99 Pages: 460~479

    • DOI

      10.2183/pjab.99.026

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Neutrinos2024

    • Author(s)
      Y. Koshio
    • Organizer
      II Synergies at new frntiers
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] スーパーカミオカンデにおけるSN2023ixf由来の超新星ニュートリノ探索2024

    • Author(s)
      F. Nakanishi
    • Organizer
      日本物理学会春季大会
  • [Presentation] SK-Gd実験における超新星背景ニュートリノ探索の最新状況2024

    • Author(s)
      M. Harada
    • Organizer
      日本物理学会春季大会
  • [Presentation] NA61/SHINE 実験低運動量ハドロンビームライン実現に向けたビームモニター検出器の開発の現状2024

    • Author(s)
      Y. Hino
    • Organizer
      日本物理学会春季大会
  • [Presentation] ニュートリノ中性カレント反応理解のための中性子・酸素原子核反応に関する研究2024

    • Author(s)
      T. Tano
    • Organizer
      日本物理学会春季大会
  • [Presentation] ニュートリノフラックス推定精度向上に向けたNA61/SHINE実験におけるTPC検出器較正および荷電K中間子の解析状況2024

    • Author(s)
      Y. Shiraishi
    • Organizer
      日本物理学会春季大会
  • [Presentation] スーパーカミオカンデ実験におけるGd溶解前後でのMeV領域のエネルギースケールの包括的な評価2024

    • Author(s)
      T. Tada
    • Organizer
      日本物理学会春季大会
  • [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] ニュートリノ原子核反応の精密理解のための酸素ビームを用いた原子核実験2024

    • Author(s)
      Y. Nakajima
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
  • [Presentation] ニュートリノ反応理解に向けた中性子酸素原子核非弾性散乱事象の実験データとシミュレーションモデルの比較2024

    • Author(s)
      Y. Hino
    • Organizer
      新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
  • [Presentation] ニュートリノ原子核反応の精密理解を目指した原子核実験2023

    • Author(s)
      Y. Nakajima
    • Organizer
      ミューオン核データ研究会
    • Invited
  • [Presentation] Measurement of neutron-oxygen interaction cross section using neutron beam2023

    • Author(s)
      T. Tano
    • Organizer
      International Workshop on “Double Beta Decay and Underground Science”(DBD23)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement of neutron-oxygen interaction cross section using neutron beam for diffuse supernova neutrino background search2023

    • Author(s)
      T. Tano
    • Organizer
      6th Joint Meeting of the APS Division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First result of a search for Diffuse Supernova Neutrino Background in SK-Gd experiment2023

    • Author(s)
      M. Harada
    • Organizer
      NuTel2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Results and Prospects from Atmospheric and Solar Neutrinos2023

    • Author(s)
      Y. Koshio
    • Organizer
      NNN23
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] First result of a search for electron antineutrino in SK-Gd experiment2023

    • Author(s)
      M. Harada
    • Organizer
      NNN23
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新しいフェーズが始まったT2K実験の最新状況と今後の展望2023

    • Author(s)
      Y. Nakajima
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
    • Invited
  • [Presentation] SK-Gd実験での超新星背景ニュートリノ探索結果を用いた超新星爆発におけるブラックホール形成の検証2023

    • Author(s)
      M. Harada
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
  • [Presentation] NA61/SHINE実験低運動量ハドロンビームライン実現に向けたシリコンストリップ検出器の開発の現状2023

    • Author(s)
      Y. Hino
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
  • [Presentation] ニュートリノ中性カレント反応理解のための中性子・酸素原子核反応モデルの構築2023

    • Author(s)
      T. Tano
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
  • [Presentation] ニュートリノフラックス推定精度向上に向けたNA61/SHINE実験におけるTPC検出器のドリフト速度の校正2023

    • Author(s)
      Y. Shiraishi
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
  • [Presentation] スーパーカミオカンデにおける宇宙線μ粒子のKπ生成比の測定2023

    • Author(s)
      T. Tada
    • Organizer
      日本物理学会年次大会
  • [Presentation] NA61/SHINE experiment for neutrino physics2023

    • Author(s)
      Y. Koshio
    • Organizer
      The 24th International Workshop on Neutrinos From Accelerators (NuFact 2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] First result of a search for Diffuse Supernova Neutrino Background in SK-Gd experiment2023

    • Author(s)
      M. Harada
    • Organizer
      TAUP23
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement of the neutrino-oxygen neutral-current quasielastic cross section using atmospheric neutrinos in the SK-Gd experiment2023

    • Author(s)
      S. Sakai
    • Organizer
      TAUP23
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] NA61/SHINE実験低運動量ハドロンビームライン実現に向けたビームモニターの開発2023

    • Author(s)
      Y. Hino
    • Organizer
      シンチレータ研究会 (SMART 2023)
  • [Presentation] Status and prospect of the SK-Gd project2023

    • Author(s)
      Y. Hino
    • Organizer
      ICRC2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First result of a search for Diffuse Supernova Neutrino Background in SK-Gd experiment2023

    • 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 experiment2023

    • Author(s)
      S. Sakai
    • Organizer
      ICRC2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation of neutron tagging efficiency on 0.03% Gd mass concentration in SK-Gd experiment2023

    • Author(s)
      F. Nakanishi
    • Organizer
      ICRC2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement of the kaon to pion production ratio with the Super-Kamiokande2023

    • Author(s)
      T. Tada
    • Organizer
      ICRC2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Supernova neutrino detection in Super-Kamiokande and Hyper-Kamiokande2023

    • Author(s)
      Y. Koshio
    • Organizer
      3rd New Physics Opportunities at Neutrino Facilities Workshop: Astrophysical Neutrinos
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2024-12-25  

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