2021 Fiscal Year Annual Research Report
Early identification of supernovae using neutrino observations at Super-Kamiokande
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21H04989
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中畑 雅行 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (70192672)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小汐 由介 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (80292960)
池田 一得 東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (90583477)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | ニュートリノ / 超新星爆発 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Super-Kamiokande(SK)では、2020年に硫酸ガドリニウム八水和物の総重量にして約13トンを初導入して、0.01%のガドリニウム濃度で約50%中性子捕獲効率を達成した。その後、約2年間にわたり安定したデータ取得を継続できた。2020年の溶解作業の際に、原料の酸化ガドリニウムに含まれる放射性不純物のウランやトリウムが多い場合、製品の硫酸ガドリニウム八水和物にもトリウム系列の228ラジウムが比較的多く含まれることが判明したため、2021年には原料の品質によらない、新たな精製プロセスの開発を企業と共同で行った。その結果、より放射性不純物の少ない硫酸ガドリニウム八水和物を安定して製造することに成功した。2022年6月から7月には、硫酸ガドリニウム八水和物の総重量にして約26トンを追加導入して、 0.03%のGd濃度で75%の中性子捕獲効率を実現させることができた。
平行して、超新星爆発方向決定プログラムの改良を行った。ガドリニウムによる中性子捕獲信号を使って逆ベータ反応事象をタグし、電子散乱事象と区別することで、方向決定精度を向上させた。モデルによっては10kpcの超新星方向決定精度を3度以内という目標を達成できた。
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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
本研究を申請した際には、2021年度（令和3年度）に高純度硫酸ガドリニウム八水和物を製造し、2022年度（令和４年度）には0.01%から0.03%ガドリニウム濃度になるように硫酸ガドリニウム八水和物を導入するという予定であった。また、その期間に早期に超新星爆発を検知するシステム（高速トリガーシステム）を構築するという予定であった。26トンの硫酸ガドリニウム八水和物を製造するにあたり、製造方法を改良を行い2020年の溶解作業に使用したものよりも良い品質の硫酸ガドリニウム八水和物を無事製造することができた。そして、2022年6月1日から7月5日にかけて導入が行われた。これらは年次計画に沿っており、遅れはない。その後、水の透過率も9月初めごろまでには安定し、その後各種検出器の較正が行われ、順調にデータ取得が行われている。また、超新星爆発の信号を早期に捉える高速トリガーシステム(SNWATCH)においては、超新星方向決定プログラムの開発も順調に進んでいる。
以上のように研究は当初予定したスケジュールで順調に進んでおり、達成度は「順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる」と判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
硫酸ガドリニウム八水和物のSKへの導入は順調に完了した。今後いつ超新星爆発が起こっても信号を逃さないようにSK-Gdの安定的な運転を継続していく。超新星爆発方向の計算については、天文分野で広く使用されているマッピング手法であるHEALPIXを使った新しい方向計算手法により、これまで分単位の時間がかかっていた計算を数秒に改善されることが分かっている。今後はSNWATCHへの実装に向けて、パラメータの最適化や、MCによるパフォーマンスチェック等、細かい調整と修正を進めていく。一方で、ハードウェアの改良も行いSSDを増設した新しいシステムを導入し世界へのアナウンスにかかる時間を1分以内に抑えることが可能であると見込んでいる。
超新星爆発が起こった時に、世界の天文台に早急に通知するSNWATCH は速報性が最も重視される。それに加えて、より詳細かつ正確なデータ解析（オフライン解析）手順の確立、およびそれに必要な解析プログラムの開発を、2023年度以降で行なっていく。具体的には取得したデータに不備がないかの基本的な確認に加え、観測した事象のエネルギーをより正確に決定することが超新星爆発モデルの特定に必要不可欠であることから、線源や電子ビームを用いた様々な検出器較正をできるだけ迅速に進め、取得した事象のエネルギー・位置・方向・時間をより正確に決定するための手順を固める。また、取得した超新星ニュートリノ観測データから最大限の物理を引き出すためには、電磁波観測（可視光、赤外、X線、γ線、電波）や重力派観測との連携は欠かせない。情報の早急な発信を行うため、国内外を問わず観測・理論の両面での超新星爆発研究コミュニティとの連携をより一層強化していく。それにより超新星爆発におけるマルチメッセンジャー天文学という新たな研究分野を確立する。
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Research Products
(41 results)
