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 / 宇宙線 / ニュートリノ検出器

Outline of Annual Research Achievements

大気ニュートリノ流量計算では、大気ニュートリノ生成の標準モデルとなっている本田モデルコードを、今後の展開を見据えての拡張や改修を進めた。RHICやLHCからの高エネルギー宇宙線ハドロン相互作用データや気球実験よる高空での大気ミューオン測定データについての検討を行い、最新の加速器ハドロン生成データの導入を行うことで、大気ニュートリノモデルのGeV領域における高精度化を確立した。
南極氷河ニュートリノ望遠鏡に向けた新型光検出器の開発・製造では、2019年度中には計6回の国際審査チームからなる審査会議がアメリカおよび日本で行われた。この審査会議に先立ち多くの耐性試験、特に、輸送を仮定した振動試験、衝撃試験、-50℃の空気中から20℃の水への投入を繰り返す熱衝撃耐性試験、35kNまでの機械的引張試験、また最大圧力70MPaでの耐圧性能試験を実施した。また、性能試験では、南極氷河表面に設置されているDAQシステム“fieldhub”の小型版 (mini-fieldhub)と光検出器モジュール内部にある読出し基板との通信によるデータ取得を行い南極氷河中で必要とされる能力の検証を行った。この結果開発中の新型光検出器が南極点埋設に耐えうる性能を持つことが確認でき、国際審査会議でのデザインの了承後、D-Eggの本格製造を開始した。また、D-Egg光検出器のなかに含まれる南極氷河特性較正用LED光源のGEANT4シミュレーションによる最適化を進めた。較正用LED及びそのドライバー回路は高輝度LEDが10nsec幅以下で打てるよう十分な高速回路と400nm LEDを選定し、LED基板製作を行った。物理探査では、IceCube-Gen2 Phase1計画における感度研究を行い、計画代表者が発表を行った。

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、基礎となる本田モデルの理解と拡張に向けた準備研究が進められている。最新の加速器ハドロン生成データの導入を行うことで、大気ニュートリノモデルのGeV領域における高精度化までを確立している。2019年度は、IceCube-Gen2 Phase-1に使用される新型光検出器モジュールD-Eggを、数多くの国際審査を経て完成させ、その製作開始までを達成した。審査会議では多くの改善点の指摘も受けたが、それらを取り入れさらに安定稼働可能なモデルを作り上げた。2019年秋には想定以上の大型台風が発生し、検出器の製造用クリーンブースが被災した。この想定外のインシデントのためクリーンブースの移転を行った。このため数カ月、製造に遅れが出たが、製造期間を延ばすことで対応した。

Strategy for Future Research Activity

新型光検出器D-Eggの製作及びその較正を2020-2021年度にかけて引き続き進めていく。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℃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。
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。モデルの検証に向けては、Super-Kamiokande実験とIceCube実験の両実験で観測可能エネルギー領域に重なりのあるGeV領域でのそれぞれの実験データとの比較を行う。そこからこのエネルギー領域における異なる検出器系統誤差の理解を進め、出来る限りバイアスのない条件下での新大気ニュートリノモデルの検証を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin at Madison/Michigan State University(米国)
• [Int'l Joint Research] DESY/University of Munster(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin at Madison(米国)
• [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: 032006-032006
  • 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: 12194-12194
• [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: 011012-011012
• [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: 012166-012166
• [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): Aartsen M et al (IceCube Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 98 Pages: 062003-062003
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.062003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of inclusive forward neutron production cross section in proton-proton collisions at s=13$$ \sqrt{s}=13 $$ TeV with the LHCf Arm2 detector (2018)
  • Author(s): Adriani O.、Berti E.、Bonechi L.、Bongi M.、D’Alessandro R.、Detti S.、Haguenauer M.、Itow Y.、Kasahara K.、Makino Y.、Masuda K.、Menjo H.、Muraki Y.、Ohashi K.、Papini P.、Ricciarini S.、Sako T.、 et al.
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 1811 Pages: 073-073
  • DOI: 10.1007/jhep11(2018)073
  • Peer Reviewed / Open Access / 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] Workshop for Atmospheric Neutrino Production in the MeV to PeV range (2019)