| Project/Area Number |
22H04935
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Broad Section B
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
石原 安野 千葉大学, ハドロン宇宙国際研究センター, 教授 (40568929)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
常定 芳基 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (50401526)
清水 信宏 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (60869395)
Meier Maximilian 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (70931327)
永井 遼 千葉大学, 大学院理学研究院, 特任研究員 (00801672)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥189,670,000 (Direct Cost: ¥145,900,000、Indirect Cost: ¥43,770,000)
Fiscal Year 2025: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2024: ¥130,000,000 (Direct Cost: ¥100,000,000、Indirect Cost: ¥30,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥21,710,000 (Direct Cost: ¥16,700,000、Indirect Cost: ¥5,010,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
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| Keywords | ニュートリノ望遠鏡 / マルチメッセンジャー天文学 / 光検出器 / IceCube / IceCube-Gen2 / ニュートリノ天文学 / 大気ニュートリノモデル / 南極点氷河光伝搬 / IceCube実験 / 深氷河光伝搬 / チェレンコフ光検出器 / ニュートリノ |
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| Outline of Research at the Start |
宇宙における超高エネルギー放射の起源は重大な謎である。その観測的困難に打ち勝つため建設された世界初の高エネルギー宇宙ニュートリノ望遠鏡IceCubeが宇宙ニュートリノ観測を確立し,ついに高エネルギーニュートリノ天文学が始まった。本研究ではIceCubeの感度を5倍以上向上させる次世代ニュートリノ望遠鏡IceCube-Gen2の製造を日本から先導する。また,現在建設中のPhase1検出器によりこれまで取得されたIceCubeデータ及びGen2検出器での系統誤差の大幅な削減を行い,それまで取得されている14年分のアイスキューブデータを高精度化し,粒子シャワー及びタウニュートリノ探査再解析を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究はIceCube実験のデータ解析に加え、IceCube-Gen2に向けた新型光検出器の開発と建設が2025年度に迫るGen2-Phase1データの解析準備を主眼とする。
新型光検出器の開発で目指す目標は“掘削孔の直径を最小化しながら光検出器の感度を最大化する”である。これまでIceCube-Upgradeに向けた光検出器の開発製造実績をフルに生かし、長球ガラス容器の耐圧性能，低ノイズ，紫外光高透過性を保ちつつ，内部PMTの配置を最適化し，そこからさらなる高感度化及び省電力化等目指す。メインの成果として，直径318mmの耐圧ガラス球を用いて光検出感度をIceCube用の現行機と比較して４倍以上に大幅に高めた実際に南極点に埋設される8台の検出器製造に成功した。もう一つの大きなマイルストーンとして，IceCube-Gen2共同研究者によるIceCube-Gen2実験テクニカルデザインレポート(TDR)を完成させた。日本グループは当該研究により光検出器の章を担当し，テクニカルレポート及びIceCube-Gen2感度研究に使われるIceCube-Gen2検出器の詳細なシミュレーション研究を行いIceCube-Gen2実験目標感度到達に十分な性能を有するモデルを示した。
Gen2-Phase1データの解析準備では、我々日本グループが製作較正を行ってきた高感度光検出器D-Egg及び較正用光源から取得されたデータから光伝搬特性を抽出するためのシミュレーションベースの感度研究を進めている。これまでは達成できなかった南極点の氷河中の光子伝搬パラメーターの抽出可能性が示唆されている。また、Gen2-Phase1データの特徴である低エネルギーニュートリノに対する感度向上を活かしたGeVニュートリノを発する突発天体に対する感度向上を目指した光検出器シミュレーションの精度向上を進めている。
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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
千葉大学に新設・整備したクリーンブースで，新型光検出器に使用するライトガイド機能を持つ光学シリコンの製造手法及び光電子増倍管(PMT)への取り付け手法を真空成型モールドを使用することで確立した。PMTは浜松ホトニクスと開発を行ってきた新型４インチPMTを使用する。GEANT4ベースのシミュレーション計算により長球耐圧ガラス容器に複数のPMTの設置する時の感度最適化を進め，シリコンパットを取り付けたPMTのインストール方法にも一定の道筋をつける事ができた。これらの手法を用い一つの耐圧ガラス球当り18の4inch PMTを入れ込んだデザイン検証機8台の製造に成功，当該モジュールに対する詳細な試験を行っている。これまでにガラス内の全てのPMTの-40℃の低温での動作確認，応答特性の精査を行い，ダークノイズ値や時間精度値などを取得するとともに長期低温試験および耐圧試験を行い低温化及び高圧下でも問題が起きないこと，長時間の振動試験を行い輸送時に問題が起きないことを確かめた。
当研究計画以前に製造した約310台のD-Eggの詳細な較正と最終試験を進めた。得られた較正パラメータのデータベース化及びそれをシミュレーションに取り込むことで、より現実的なシミュレーションの開発を進めている。これらのシミュレーションの改善により，測定できる光子数の少ない1GeV-10GeVエネルギー領域の事象選択効率をあげるためトリガーアルゴリズムの開発から事象選択手法の改善を進めている。また，IceCube-Gen2フェーズ1計画による氷河光伝搬系統誤差の削減を目指したソフトウェアの開発も進んでおり、より現実的な氷河の光伝搬特性に対する感度を見積もるため，D-Egg内の光源の輝度分布とそれに対する応答の実験室内での測定を進め較正データを改善している。そのうえで今後は再解析に向けた準備を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
新たに開発されたデザイン検証機8台は2025年度に南極点に輸送され、実際に南極点氷河に埋設される予定である。それまでに実験室内冷凍庫における最終性能試験及びその較正、そしてそのオペレーションに向けたモジュール内ファームウェア・ソフトウェアの開発を進め、in-situでの性能評価を確実なものとする。このデザインは次期デザインである、大量生産化モデルのベースラインデザインとなる予定である一方、ここから改善すべき点を精査する必要がある。実際に本検証機の製造においては、大規模製造時には問題となり得るいくつかの課題も明らかになった。その一つが内部構造の複雑さからくる人件費の高騰や、製造時に確認すべきポイントが多すぎるため、製造の試験を通らないモジュールが出るという可能性である。これらの課題を克服すべく次期デザインを進め、問題点を排除したうえで、大規模製造手法を検討しながら、大規模製造を目指したデザインへと刷新する。
フェーズ1データの解析に向けた氷河内の光伝搬特性は感度の見積もりについては多くの系統誤差を取り込んだ信頼性の高いフレームワークがすでにできつつある。これらのさらなる信頼度向上を行うべく、実験室内でのD-Eggの詳細な較正を進める。さらに、得られた較正パラメータのデータベース化及びそのシミュレーションへの導入に取り込むことで、より現実的に近いシミュレーションを行うための開発を進め、測定できる光子数の少ない1GeV-10GeVエネルギー領域の事象選択効率をあげるためトリガーアルゴリズムの開発から事象選択手法の改善を引き続き進めていく。これによりこれまで検出できなかった近傍突発天体からのニュートリノ観測を目指す。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment
A: 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
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