| 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 Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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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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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥49,140,000 (Direct Cost: ¥37,800,000、Indirect Cost: ¥11,340,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2020: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2019: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
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| Keywords | 超新星ニュートリノ / 中性子星 / ブラックホール / 核物質 / 宇宙化学進化 / 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 |
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| Outline of Research at the Start |
中性子星やブラックホールが形成される際には超新星ニュートリノが放出されると同時に種々の元素がまき散らされる。また形成された中性子星が連星系をなしている場合には、それらが合体する際にウランやトリウムなど地球ニュートリノの源が合成される。宇宙に蓄積された超新星背景ニュートリノと地球ニュートリノの相互関係はまだ十分に研究されていないので、本研究課題ではそのような総合的な研究の開拓を行う。具体的には、動的段階の多次元数値シミュレーション、原始中性子星の冷却シミュレーションを行い、核物質の状態方程式やニュートリノ反応率の影響を調べる。また、宇宙化学進化と超新星背景ニュートリノの関連を調べる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
山田を中心に、ニュートリノ輸送をボルツマン方程式を直接解いて計算するコードの一般相対論化の詳細なチェックを行い、重力的な赤方偏移、測地線の曲がり、慣性系の引きずりといった一般相対論的効果が定量的に正しく計算できることを示した。また、3次元化したコードを用いて、コア反跳後数10msに起こる即時対流の計算を行い、球対称や軸対称の時と比較した。さらに、モンテカルロ法を用い、ニュートリノとの散乱における核子の微小な反跳の効果を定量的に調べた。
中里らは星の重力崩壊開始から原始中性子星の冷却に至るまでの過程で放出されるニュートリノシグナルについて、いくつかの現実的な核物質状態方程式のモデルを用いて、崩壊前の親星の質量や形成される中性子星の質量の異なる場合の数値計算を複数おこない、ニュートリノシグナルにおける状態方程式の不定性の程度を評価して、実際の観測量にどの程度の違いをもたらすかを調べた。
鷹野らは、状態方程式と自己無矛盾な修正URCA過程ニュートリノ放射率の計算法に関して、相関関数の範囲を広げたり三体力を取り入れる改良を行い、先行研究との差異が小さくなることを確認した。
辻本らは、現在の地球ニュートリノ量を決めているウランとトリウムの含有量が銀河系での平均的な値と比べおよそ20-30%程度少ない原因について、太陽系が現在の場所ではなく銀河中心近くで生まれ、その場所での銀河系の化学進化を反映した結果であることを明らかにし、銀河進化・化学史と地球ニュートリノを結びつける研究に着手した。また、鈴木らは、新学術領域「冥王代生命学」の丸山・戎崎らと議論を進め、第三大陸にウラン・トリウムが集中しているモデルについて、各地の地球ニュートリノ量への影響を調べた。
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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
多次元の超新星シミュレーションのコードの開発は順調に進んでおり、大きな問題はない。また、原始中性子星の冷却計算を多次元で行うための準備も最終段階に至っている。
球対称モデルを用いた超新星ニュートリノの研究に関して、ニュートリノシグナルは、early phaseでは親星の質量に依存する一方、late phaseでは状態方程式や中性子星質量により強く依存することが確認できた。さらに超新星背景ニュートリノの計算への応用を念頭に、同じ状態方程式を用いて、ブラックホールが形成される場合のニュートリノシグナルについても数値計算をおこない、一揃いのニュートリノデータを超新星ニュートリノデータベースに整備した。
状態方程式と自己無矛盾なニュートリノ放出率の計算に関しては、これまで先行研究を踏襲して、中心力的相関関数とスピン・軌道力的相関関数のhealing distanceを共通に選んでいたが、これにより変分の自由度が制限され、修正URCA過程のニュートリノ放射率が小さく抑えられている可能性がある。そこで中心力的相関関数、テンソル力的相関関数、スピン軌道力的相関関数のhealing distanceの全てを独立なパラメターとして扱うことにより、修正URCA過程のニュートリノ放射率の改善を目指す。そのための数値計算コードの改良を進めている。
化学進化に関して研究体制を強化するため、辻本を新たに研究分担者として迎えた。その結果、太陽系の形成位置と移動に関する研究をまとめることができ、計画研究A01の地球ニュートリノ観測に関連する研究へつなげる端緒としたい。新学術領域「冥王代生命学」の研究者との連携も進み、彼らの提唱する第三大陸が地球ニュートリノに及ぼす影響を評価できるようになった。
新型コロナウィルス感染の拡大により研究活動も制限されてしまったが、おおむね順調に成果を出せた。
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| Strategy for Future Research Activity |
多次元の超新星シミュレーションのコードの開発と系統的な2次元シミュレーションを今後も着実に進める。3次元計算はより長い時間の計算ができるようにチューニングを続ける。新しい取り組みとしては、角度分解能の向上が残っている。また、物質とニュートリノの詳細な反応率はミューオンの寄与も含め可能となったので、これを実装する。
超新星ニュートリノの観測に関する理論研究としては、引き続き核物質状態方程式に由来する不定性がニュートリノシグナルの観測量に与える影響を、スーパーカミオカンデ等の既存の検出器を念頭に置いたイベント予測をおこなうことによって調べ、その結果を応用して実際に近傍で超新星爆発が起こった時に、すぐに使える解析手法の提案をめざす。さらに、超新星背景ニュートリノの計算への応用にも着手する。
ニュートリノ放出率に関しては、中心力的相関関数、テンソル力的相関関数、スピン軌道力的相関関数のhealing distanceの全てを独立なパラメターとして扱うことにより、修正URCA過程のニュートリノ放射率の改善を目指し、ニュートリノ放射率計算法を確立する。そしてこの手法を核子制動放射の場合へと拡張することで、Togashi EOSの熱力学量と自己無矛盾な核子制動放射率を計算する。
化学進化に関しては、地球に内在するウランとトリウムの量が銀河の化学進化の過程の中でいかにして決まるか詳細に検討し、その内在量に銀河（宇宙）スケールでの普遍性があるのか、さらにその主要な起源が中性子星合体なのかあるいは特異な超新星なのかを明らかにしていく計画である。大陸三層モデルによる地球ニュートリノ計算は、その他の地球科学の観測データとの整合性を議論する。化学進化と超新星背景ニュートリノの総合的研究のため、種族合成計算に超新星ニュートリノの放出量の評価を組み込む準備を進めてきたので、これを完成させる。
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