バイカルデュマンド「高エネルギーニュートリノ、及びガンマ線天文学計画」

• 研究課題/領域番号: 07044061
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 岬 暁夫 埼玉大学, 理学部, 助教授 (20008816)
• 研究分担者: アナトーリ パンフィーロ ロシア科学アカデミー原子核研究所, 助教授 ; レオニード デデンコ モスクワ大学, 物理学部, 教授 ; エフゲーニ ブガーエフ ロシア科学アカデミー原子核研究所, 教授 ; バヤルト ルプサンドロジ ロシア科学アカデミー原子核研究所, 助教授 ; ペーター ポカレフ イルクールク大学, 応用物理研究所, 助教授 ; レオニード ベズルコフ ロシア科学アカデミー原子核研究所, 副所長 ; アナトーリ パブロフ イルクールク大学, 物理学部, 助教授 ; ニコライ ブッドネフ イルクーツク大学, 応用物理研究所, 助教授 ; ヴァヂム ナウーモフ イルクールク大学, 物理学部, 助教授 ; ユーリ パルフェーノフ イルクーツク大学, 応用物理研究所, 教授 ; 三井 清美 山梨学院大学, 経営情報学部, 助教授 (80013340) ; 藤井 正美 青森大学, 工学部, 教授 (20013691) ; 宮地 孝 東京大学, 原子核研究所, 助手 (20013401) ; 川口 節雄 弘前大学, 教養部, 教授 (30013395) ; 御法川 幸雄 近畿大学, 理工学部, 教授 (90088500) ; 河野 毅 理化学研究所, 副主任研究員 (60211231) ; 高橋 信介 弘前大学, 教養部, 助教授 (40216742) ; 菊地 柳三郎 京都大学, 理学研究科, 助手 (10025356) ; 井上 直也 埼玉大学, 理学部, 助教授 (40168456) ; DEDENKO Leonid Department of Physics, Moscow State University, Moscow, Russia ; PANFILOV Anatory Institute for Nuclear Reseach, Russian Academy of Science, Moscow, Russia ; PAVLOV Anatory Applied Physics Institute, Irkutsk State University, Irkutsk, Russia ; NAUMOV Vadim Department of Physics, Irkutsk State University, Irkutsk, Russia ; BUDNEV Nikolai Applied Physics Institute, Irkutsk State University, Irkutsk, Russia ; BEZRUKOV Lenid Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Science, Moscow, Russia ; BUGAEV Efgeni Institute for Nuclear Reseach, Russian Academy of Science, Moscow, Russia ; LOUBSANDORJIEV Bayarto Institute for Nuclear Reseach, Russian Academy of Science, Moscow, Russia ; POKOLEV Peter Applied Physics Institute, Irkutsk State University, Irkutsk, Russia
• 研究期間 (年度): 1995
• 研究課題ステータス: 完了 (1995年度)
• 配分額: 6,000千円 (直接経費: 6,000千円); 1995年度: 6,000千円 (直接経費: 6,000千円)
• キーワード: 中性微子 / 天文学 / 宇宙線 / 極高エネルギー / 宇宙 / 新現象

研究概要

本研究は、「旅費」のみで研究が行われており、「研究」に必要な旅費以外の経費は支給されていない。しかしながら、我々、日露関係者の研究実現に賭ける意気込みは盛んであり、「旅費」を活用し、イルク-ツクで本計画実現のためのワークショップを開催した。以下は、本研究において得られた成果である。
「1」高エネルギーミューオンのエネルギー決定方法の開発
(超)高エネルギーニュートリノ天文学が「天文学」として成立するためには、「天体」として存在する実体の「方向」と「エネルギー」が特定されねばならない。とりわけ、「エネルギー」を決定することは大変難しい。高エネルギーニュートリノ天文学においては、通常、ミューオンニュートリノの検出を目的とする。高エネルギーミューオンニュートリノの「エネルギー」の正確な決定を阻むふたつの要因がある。一つは、ミューオンの電磁相互作用の「揺動」であり、他は、電磁カスケードシャワーの「揺動」である。我々は、このふたつの「揺動」を厳密に取り入れて、1次元ミューオン(ニュートリノ)のエネルギーとこれが発するチェレンコフ輻射の深さ依存を計算した。この結果によれば、揺動の本質的性質を反映して、エネルギー決定が大変困難であることが判明した。最終的には、計算は3次元的に行わなければならず、また、実際の実験装置の配置を想定して行わなければならない。現在の1次元の計算を参考にして次の段階に進みたい。
「2」高エネルギーミューオンの揺動計算
超高エネルギーニュートリノ天文学の実現のためには、最低限、実験装置の規模が1キロ立法メートル(水)程度が必要である。すなわち、ニューオンニュートリノを測定する場合、1キロの非程を追跡しなければならない。我々は、1キロ程度の飛程を有する10の12乗電子ボルトから10の18乗電子ボルトのミューオンの振る舞いをモンテカルロ法で厳密に計算した。その結果、1キロ程度走れば、ミューオンは制動輻射によるカタストロフィックなエネルギー損失を受け、これが、ミューオンの最初のエネルギーの決定の大きな障害となることが判明した。
「3」超高エネルギーミューオンの制動輻射ならびに直接電子対創生の断面積の計算
超高エネルギー領域では、高エネルギー領域と比較して、電磁カスケードシャワーの様相が一変し、この事実は、超高エネルギーエレクトロンニュートリノの検出に大きな影響を与えることが、研究代表者によって明かにされている。一方、超高エネルギーミューオンニュートリノにおいても、制動輻射、直接電子対創生の断面積が高エネルギー領域において劇的に変化することが、電子の場合と同様に予想される。我々は、この断面積を実際に遂行し、制動輻射では、10の18乗電子ボルト程度から、直接電子対創生では、10の20乗電子ボルトあたりから、断面積が劇的に変化することを見いだした。
「4」半導体技術に基礎を置く新型高性能光子検出器の開発研究(準備)
バイカル湖における超高エネルギーニュートリノ天文学計画計画では、超高エネルギーニュートリノの検出のため、水中1キロの深さのところに、数千個の光センサーを設置することが想定されている。(詳しく配置は、「1」と密接関係する)このような水中に、「DUMAND]のように、光電子増倍管を配置することは、実際的でない。我々は、光電子増倍管と比較して、[a]故障しない、[b]価格的に安い、[c]大量生産が可能である、[d]電力を食わない、[e]大きな耐圧容器を必要としない、等のような優れた利点を有する半導体技術に基礎を置く新型光子検出器の開発およびその周辺技術体系の開発を、浜松ホトニクス、三菱電機、等、の関連企業と検討中である。しかしながら、我々の研究計画は、現在のところ旅費のみで、研究費を有していない。従って、企業との連携は、費用を伴わない、「検討」に留まっている。
「5」電磁カスケードシャワー専用電子計算機の開発研究(準備)
超高エネルギー領域では、高エネルギー領域では検出を考慮していないエレクトロンニュートリノが検出できる。しかしながら、この領域でのエレクトロンニュートリノの作り出す電磁カスケードシャワーは、揺動が異常に激しく、平均値という概念が、事象を解析する手段として意味を失う。すなわち、ここでは、平均値操作に頼ることなく、一つ一つの現象を直接的に解析しなければならない。このためには、超高エネルギー電磁カスケードシャワーをモンテカルロ法により厳密に計算しなければならないが、これは、現在の最高速のスーパーコンピューターを用いても不可能である。よって、我々は、超高エネルギーカスケードシャワー専用の電子計算機を開発することにした。その前段階として、並列計算を可能にするカスケート計算のアルゴリズムを検討している。

研究成果

• [文献書誌] A.Misaki et al: "Fluctuation Problems in the LPM Shower in Water" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Takahashi et al: "Range Fluctuation of High Energy Muons and the Energy Spectrum at Differents Depth in Water" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] V.A.Naumov: "Physics Scope of the Studies in Astroparticle Physics with Future l km3 Neutrino Telescope in Lake Baikal" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.N.Gaponenko et al: "The Determination of Primary Hydrooptical Parameters" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] R.Kikuchi: "A.Plan of Photon Counter : R&D for Baikal Project" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.A.Pavlov: "Strategy of Modelloing of Baikal Installation" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Inoue: "Gamma-Ray Astrophysics and Highest Energy Cosmic Ray Studies from Grounded Based Air Shower Array" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] B.K.Lubsandorzhiev: "What Kind of Photodetector We Need" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.I.Polityko: "Some Remarks about LPM Eeffect in Water" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] L.B.Bezrukov: "The Possible Next Step in a Way to Big Underwater Detector in Lake Baikal" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.I.Klimushin: "Baikal Experiment : Practise and Experience. What to Take for New Generation Array?" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] V.A.Naumov and T.S.Sinegovskaya: "Effect of Kl3 Decay from Factors to Atmospheric Neutrino Flux" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Misaki et al: "Fluctuation Problems in the LPM Shower in Water" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Takahashi et al: "Range Fluctuation of High Energy Muons and the Energy Spectrum at Different Depth in Water" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] V.A.Naumov: "Physics Scope of the Studies in Astroparticle Physics with 1km3 Neutrino Telescope in Lake Baikal" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.N.Gaponenko et al: "The Determination of Primary Hydrooptical Parameters" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] R.Kikuchi: "A Plan of Photon Counter : R&D for Baikal Project" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A.A.Pavlov: "Strategy of Modelling of Baikal Installation" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N.Inoue: "Gamma-Ray Astrophysics and Highest Energy Cosmic Ray Studies from Grounded Based Air Shower Array" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] B.K.Lubsandorjiev: "What Kind of Photodetector We Need" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.I.Polityko: "Some Remarks about LPM Effect in Water" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] L.B.Bezrukov: "The Possible Next Step in a Way to Big Underwater Detector in lake Baikal" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.I.Klimushin: "Baikal Experiment : Practise and Experience. What to Take for New Generation array?" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] V.A.Naumov and T.S.Sinegovskaya: "Effect of K13 Decay from Factors to Atmospheric Neutrino Flux" Proceeding of 2nd Workshop on High and Extremely High Energy Neutrino Astrophysics in the Lake Baikal between Japan and Russia. (to be published). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より