Search for the signals beyond the standard model with cosmic neutrinos

• Project Area: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
• Project/Area Number: 18H05538
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 石原 安野 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (40568929)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永井 遼 千葉大学, 大学院理学研究院, 特任助教 (00801672) ; 伊藤 好孝 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50272521) ; 清水 信宏 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (60869395) ; 佐藤 和史 東京大学, 宇宙線研究所, 特任助教 (10769673) ; 間瀬 圭一 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (80400810) ; 吉田 滋 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (00272518)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥176,150,000 (Direct Cost: ¥135,500,000、Indirect Cost: ¥40,650,000); Fiscal Year 2022: ¥23,270,000 (Direct Cost: ¥17,900,000、Indirect Cost: ¥5,370,000); Fiscal Year 2021: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2020: ¥45,370,000 (Direct Cost: ¥34,900,000、Indirect Cost: ¥10,470,000); Fiscal Year 2019: ¥44,980,000 (Direct Cost: ¥34,600,000、Indirect Cost: ¥10,380,000); Fiscal Year 2018: ¥37,310,000 (Direct Cost: ¥28,700,000、Indirect Cost: ¥8,610,000)
• Keywords: ニュートリノ / マルチメッセンジャー天文学 / 標準理論を超える物理 / 大気ニュートリノモデル / 暗黒物質 / 標準理論を超える相互作用 / 光検出器 / 宇宙線 / ニュートリノ検出器

Outline of Annual Research Achievements

IceCube-Gen2 Phase1配列に使用される新型光検出器モジュールD-Eggのデザインを完成させ、その本格製作を開始した。D-Egg Batch-1の長期低温試験で光学結合シリコンの千切れ現象を観測し性能的に問題はないことをGEANT4で確認した一方、輸送時での不定性を考えシリコンの材質の変更を行った。新型シリコンの性能確認を年度の前半に、年度後半から本格製造を行った。大型冷凍庫内での較正試験システムの準備を開始、光学ファイバを上下にD-Egg内のCCDカメラの較正用のパターンを内部に取り付けた暗箱のデザインを完成させた。物理解析としては、超対称性粒子stauの質量に対する制限を導くためのシミュレーションコードを開発すると共にIceCubeデータからグラショウ共鳴候補事象を観測し論文とし出版した。
大気ニュートリノフラックス計算プログラムの高度化と最適化作業の準備を完了し、加速器での固定標的実験による複数のハドロン生成データを統合してフィッティングを行い、ハドロン生成モデルの最適化と、系統誤差の見積もりを行なった。大気ニュートリノフラックス計算の専門家を招き"2nd Workshop for Atmospheric Neutrino Production in the MeV to PeV range"をオンライン会議として開催し、各フラックス計算の整合性について議論した。また、宇宙線ミューオン測定によるハドロン生成モデルの検証の可能性について、特にデータの乏しいGeV以下の低エネルギー領域に対して検討を行い、小型永久磁石を使った移動型小型ミューオンスペクトロメーターの開発を検討した。スーパーカミオカンデ実験での暗黒物質間接探索として、銀河中心方向からの暗黒物質対消滅ニュートリノの探索し、10GeV/c2以下の領域では最もよい対対消滅断面積への制限を得た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

宇宙線ハドロン相互作用とニュートリノフラックスの精密化においては、プログラムの高度化と最適化作業の準備を完了し、加速器での固定標的実験による複数のハドロン生成データを統合しハドロン生成モデルの最適化と、系統誤差の見積もりを行ない準備は整ったといえる。IceCube-Gen2 Phase1配列に使用される新型光検出器モジュールD-Eggのデザインをついに完成させ、その本格製作を開始した。光学結合シリコンの低温特性は想定外でありその対応から遅れが生じたが、その他の製造過程においては、コロナ禍でありつつも様々な対応策や準備を行っていたためほぼ計画通りに進めることができた。コロナの影響としては、製造以外の海外分担分のファームウェア製造計画などには遅れが出たが、製造と最終試験の日時をずらすことで対応した。

Strategy for Future Research Activity

新型光検出器D-Eggの製作及びその較正を2021年度にかけて引き続き進める。その製作と並行して検出器の大規模較正を開始する。この大規模較正は一計測サイクルにつき約20日間かけ室温から-40°Cまで温度の上げ下げを繰り返すことで、信頼性の高い較正値の温度依存性データの取得を目指す。同時に、過度ストレス試験としての役割があり、検出器、特にその読出し基板、の南極点での急激な温度変化への耐性を確認し、壊れやすいものは早めにスクリーニングし、南極点深氷河において安定稼働するものだけを採用する。時間性能観測には、IceCube実験ソフトウェア・ファームウェアのアップグレードが必要であり、米国チームと協力して進める。
宇宙線ハドロン相互作用と大気ニュートリノ流量計算の高度化・精密化として今後は、最新宇宙線実験データの取入れたうえでの、MeV-GeV領域から、TeV-PeV領域への拡張を進め、異なるエネルギー領域における統一モデルの確立を目指していく。これまで得られた結果を論文にまとめ、学会での成果発表を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] WIPAC, University of Wisconsin/Michigan State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: WIPAC, University of Wisconsin/Michigan State University
• [Int'l Joint Research] DESY/University of Munster(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: DESY/University of Munster
• [Int'l Joint Research] Sungkyunkwan University(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: Sungkyunkwan University
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin at Madison/Michigan State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Wisconsin at Madison/Michigan State University
• [Int'l Joint Research] DESY/University of Munster(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: DESY/University of Munster
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin at Madison(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Wisconsin at Madison
• [Journal Article] Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube (2021)
  • Author(s): IceCube Collaboration: C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.
  • Journal Title: Nature Volume: 591 Pages: 220～224
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03256-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Follow-up of Astrophysical Transients in Real Time with the IceCube Neutrino Observatory (2021)
  • Author(s): IceCube Collaboration: C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 910 Pages: 4～4
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abe123
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurements of the time-dependent cosmic-ray Sun shadow with seven years of IceCube data: Comparison with the Solar cycle and magnetic field models (2021)
  • Author(s): IceCube Collaboration: C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.103.042005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Indirect search for dark matter from the Galactic Center and halo with the Super-Kamiokande detector (2020)
  • Author(s): K. Abe et al. (The Super-Kamiokande Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.102.072002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combined Sensitivity to the Neutrino Mass Ordering with JUNO, the IceCube Upgrade, and PINGU. (2020)
  • Author(s): C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida 他 IceCube Collaboration
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 101 Pages: 032006
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.101.032006
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient propagation of systematic uncertainties from calibration to analysis with the SnowStorm method in IceCube. (2019)
  • Author(s): C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida 他 IceCube Collaboration
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2019 Pages: 048～048
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/10/048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Update of the atmospheric neutrino flux simulation ATMNC for next-generation neutrino experiment. (2019)
  • Author(s): K. Sato, Y. Itow, H. Menjo and M. Honda
  • Journal Title: J.Phys. Conf Ser. Volume: 1468(TAUP2019) Pages: 12194
• [Journal Article] Development of the front-end electronics for the new optical module “D-Egg” for IceCube-Gen2. (2019)
  • Author(s): R. Nagai
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 27 Pages: 011012
• [Journal Article] D-Egg: new optical sensors for the IceCube Upgrade and Gen2. (2019)
  • Author(s): A. Ishihara
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 1468(TAUP2019) Pages: 012166
• [Journal Article] Differential Limit on the Extremely-High-Energy Cosmic Neutrino Flux in the Presence of Astrophysical Background from Nine Years of IceCube Data (2018)
  • Author(s): A. Ishihara, R. Nagai, K. Mase, S. Yoshida, L. Lu, Y. Makino 他 IceCube Collaboration
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 98 Pages: 062003
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.062003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Measurement of inclusive forward neutron production cross section in proton-proton collisions at √s=13 TeV with the LHCf Arm2 detector (2018)
  • Author(s): Y. Itow, Y. Makino, H. Menjo 他 LHCf Collaborations
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2018 Pages: 73
  • DOI: 10.1007/JHEP11(2018)073
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] IceCube-Upgradeに向けた新型光検出器D-Eggの製造及び南極への発送に向けた最終試験 (2021)
  • Author(s): 金 賢一
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次春季大会(2021年)
• [Presentation] IceCube実験アップグレードの新型光検出器D-Eggに用いられるPMTとDAQ基板の大光量信号時の応答性評価 (2021)
  • Author(s): 森井 保次
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次春季大会(2021年)
• [Presentation] IceCube-Upgrade実験のための較正用LEDシステムの光度・角度分布の測定と南極氷河較正に向けたシミュレーションの開発 (2021)
  • Author(s): 武政 祐哉
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次春季大会(2021年)
• [Presentation] 加速器実験データを用いた大気ニュートリノHONDAフラックス計算の高度化 (2021)
  • Author(s): 佐藤和史,伊藤好孝，毛受弘彰，本田守広
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] Recent updates on real-time alert system with IceCube (2020)
  • Author(s): 石原 安野
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [Presentation] 新型光検出器D-Eggの南極点氷河埋設に向けた耐性評価 (2020)
  • Author(s): 石原 安野
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [Presentation] 新型光検出器D-Egg内校正用LEDの光度・角度分布測定におけるシステム開発と測定結果 (2020)
  • Author(s): 武政 祐哉
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [Presentation] IceCube Gen2計画に向けた次世代光検出器「mEgg」の性能評価 (2020)
  • Author(s): 鈴木 万里子
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [Presentation] Droop correction database for D-Egg modules (2020)
  • Author(s): Stephany Vargas
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [Presentation] IceCube実験アップグレードに用いる新型光検出器D-EggのDAQ基板の単体評価 (2020)
  • Author(s): 森井 保次
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [Presentation] Recent progresses on the high energy neutrino astrophysics (2020)
  • Author(s): 石原 安野
  • Organizer: 第３３回 理論懇シンポジウム 「理論天文学・宇宙物理学のブレイクスルー」
• [Presentation] Neutrino Astrophysics: Experimental (2020)
  • Author(s): Aya Ishihara
  • Organizer: AAPPS-DACG Workshop on Astrophysics, Cosmology and Gravitation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] More precise neutrino flux calculation (2020)
  • Author(s): K.Sato, Y.Itow, H.Menjo, M.Honda
  • Organizer: 1st Workshop for Interplay of Neutrino and Dark matter Experiments and Exotics Searches (INDEES 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 加速器実験データを用いた大気ニュートリノHONDAフラックス計算の高度化 (2020)
  • Author(s): 佐藤和史,伊藤好孝，毛受弘彰，本田守広
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Upgrade of Honda atmospheric neutrino flux calculation with implementing recent hadron interaction measurements (2020)
  • Author(s): K.Sato, Y.Itow, H.Menjo, M.Honda
  • Organizer: XXIX International Conference on Neutrino Physics (Neutrino2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Update of the atmospheric neutrino flux simulation ATMNC for next-generation neutrino experiment (2019)
  • Author(s): K. Sato, Y. Itow, H. Menjo and M. Honda
  • Organizer: 16th TAUP2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The IceCube Upgrade -- Design and Science Goals (2019)
  • Author(s): A. Ishihara for the IceCube Collaboration
  • Organizer: 36th ICRC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The results and future prospects of the LHCf experiment. (2019)
  • Author(s): H.Menjo for the LHCf collaboration
  • Organizer: 36th ICRC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] D-Egg: new optical sensors for the IceCube Upgrade and Gen2. (2019)
  • Author(s): A. Ishihara for the IceCube Collaboration
  • Organizer: 16th TAUP2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronics Development for the New Photo-Detectors (PDOM and D-Egg) for IceCube-Upgrade (2019)
  • Author(s): R. Nagai for the IceCube Collaboration
  • Organizer: 36th ICRC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アイスキューブ・ジェンツ―(IceCube-Gen2)で視る宇宙ニュートリノ (2019)
  • Author(s): A. Ishihara
  • Organizer: 春季物理学会 シンポジウム 「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」
  • Invited
• [Presentation] Recent results on astrophysics and particle physics from IceCube (2018)
  • Author(s): A. Ishihara
  • Organizer: XLVIII International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultra High Energy Cosmic Rays 2018 (2018)
  • Author(s): H. Menjo
  • Organizer: UHECR2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Initial results from RHICf (2018)
  • Author(s): Y. Itow
  • Organizer: 8th International Conference on Quarks and Nuclear Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 千葉大学ハドロン宇宙国際研究センター ニュートリノ天文学 研究成果
  • URL: http://www.icehap.chiba-u.jp/icecube/result2019.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.icehap.chiba-u.jp/SRIA/A03_gyoseki_2018.html
• [Funded Workshop] 2nd Workshop for Atmospheric Neutrino Production in the MeV to PeV range (2020)
• [Funded Workshop] Connecting high-energy astroparticle physics for origins of cosmic rays and future perspectives (2020)
• [Funded Workshop] Workshop for Atmospheric Neutrino Production in the MeV to PeV range (2019)