新型光検出器で築く次世代南極ニュートリノ望遠鏡による深宇宙高エネルギー現象の解明

• 研究課題/領域番号: 16H02174
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 石原 安野 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (40568929)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 45,240千円 (直接経費: 34,800千円、間接経費: 10,440千円); 2020年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2019年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2018年度: 18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円); 2017年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2016年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: ニュートリノ / 超高エネルギー宇宙線 / マルチメッセンジャー / ニュートリノ検出器 / 光検出器 / マルチメッセンジャー天文学 / 宇宙線 / 高エネルギー天体 / 最高エネルギー宇宙線

研究成果の概要

ニュートリノによる宇宙観測は、ガンマ線や宇宙線では難しい深宇宙・高エネルギー現象の直接観測と、可視光やガンマ線といった電磁波望遠鏡とのマルチメッセンジャー観測の両方を可能とした。2011年に完成したIceCubeニュートリノ望遠鏡は、2012年の1PeVを超えるエネルギーを持つ宇宙ニュートリノの初検出から、より詳細な宇宙ニュートリノ流量の測定へと進んでいるが、観測統計量の少なさがその感度を大きく制限している。この状況を打破するため、本研究では高エネルギーニュートリノ検出効率を格段に強化させる新型チェレンコフ光検出器モジュールの開発・製作、及び次世代実験を視野に入れた物理解析を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ニュートリノは通常の望遠鏡では観測が難しい高エネルギー宇宙の情報をもたらす。しかし、その検出は難しいという困難もある。その困難な観測の精度向上を、検出器と解析手法の両面から行い、将来のニュートリノ望遠鏡への道筋をつけることに成功した。天体のマルチメッセンジャー観測は今後の発展が期待される新しい重要な分野へと成長しつつある。また、地上加速器では不可能な高エネルギー現象を解明するために宇宙からくる素粒子ニュートリノを使うという新たな可能性をも示すものであり宇宙天体観測に変革をもたらした。

研究成果

• [国際共同研究] WIPAC, University of Wisconsin/Michigan State University(米国)
• [国際共同研究] DESY/University of Munster(ドイツ)
• [国際共同研究] Sungkyunkwan University(韓国)
• [国際共同研究] University of Wisconsin at Madison/Michigan State University(米国)
• [国際共同研究] DESY/University of Munster(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Wisconsin at Madison(米国)
• [雑誌論文] Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube (2021)
  • 著者名/発表者名: The IceCube Collaboration、Aartsen M. G. et al
  • 雑誌名: Nature 巻: 591 号: 7849 ページ: 220-224
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03256-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Follow-up of Astrophysical Transients in Real Time with the IceCube Neutrino Observatory (2021)
  • 著者名/発表者名: IceCube Collaboration: C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 910 号: 1 ページ: 4-4
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abe123
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Searches for neutrinos from cosmic-ray interactions in the Sun using seven years of IceCube data (2021)
  • 著者名/発表者名: IceCube Collaboration: C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 号: 02 ページ: 025-025
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/02/025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: IceCube Collaboration: C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.042005
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristics of the Diffuse Astrophysical Electron and Tau Neutrino Flux with Six Years of IceCube High Energy Cascade Data (2020)
  • 著者名/発表者名: Aartsen M.G. et al
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 12
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.121104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-Integrated Neutrino Source Searches with 10 Years of IceCube Data (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Ishihara, 他 IceCube Collaboration
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 5 ページ: 051103-051103
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.051103
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for Sources of Astrophysical Neutrinos Using Seven Years of IceCube Cascade Events (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Ishihara, 他 IceCube Collaboration
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 886 号: 1 ページ: 12-12
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab4ae2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of the Temporal Variation of the Sun's Cosmic Ray Shadow with the IceCube Detector (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Ishihara, 他 IceCube Collaboration
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 872 号: 2 ページ: 133-133
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaffd1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient propagation of systematic uncertainties from calibration to analysis with the SnowStorm method in IceCube. (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Hill, A. Ishihara, K. Kin, L. Lu,Y. Makino,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida 他 IceCube Collaboration
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 10 ページ: 048-048
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/10/048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshida, A. Ishihara 他（ IceCube collaboration）
  • 雑誌名: Science 巻: 361 号: 6398 ページ: 147-151
  • DOI: 10.1126/science.aat2890
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Differential limit on the extremely-high-energy cosmic neutrino flux in the presence of astrophysical background from nine years of IceCube data (2018)
  • 著者名/発表者名: Aartsen M et al (IceCube Collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 98 号: 6 ページ: 062003-062003
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.062003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The IceCube realtime alert system (2017)
  • 著者名/発表者名: M.G. Aartsen et al (IceCube Collaboration)
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 92 ページ: 30-41
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2017.05.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of the multi-TeV neutrino interaction cross-section with IceCube using Earth absorption (2017)
  • 著者名/発表者名: IceCube Collaboration: Aartsen M.G., Ishihara A, et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 551 号: 7682 ページ: 596-600
  • DOI: 10.1038/nature24459
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger (2017)
  • 著者名/発表者名: Abbott B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Acernese, F., Ackley, K., Adams, C., Adams, T., Addesso, P., Adhikari, R. X., Adya, V. B., Affeldt, C., Afrough, M., Agarwal, B., Agathos, M., Agatsuma, K., Aggarwal, N., Aguiar, O. D., Aiello, L., Ain, A., Ajith, P. 他 Negoro, H. 含む 3656 名
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 848 号: 2 ページ: 1-59
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa91c9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constraints on Ultrahigh-Energy Cosmic-Ray Sources from a Search for Neutrinos above 10?PeV with IceCube (2016)
  • 著者名/発表者名: M.G. Aartsen et al (IceCube Collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 号: 24 ページ: 241101-241101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.241101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] OBSERVATION AND CHARACTERIZATION OF A COSMIC MUON NEUTRINO FLUX FROM THE NORTHERN HEMISPHERE USING SIX YEARS OF ICECUBE DATA (2016)
  • 著者名/発表者名: M.G. Aartsen et al (IceCube Collaboration)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 833 号: 1 ページ: 3-3
  • DOI: 10.3847/0004-637x/833/1/3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Energy Neutrino Follow-Up Search of Gravitational Wave Event GW150914 with ANTARES and IceCube (2016)
  • 著者名/発表者名: ANTARES, IceCube, LIGO Scientific and Virgo Collaborations: S. Adrin-Martnez, A. Ishihara et al
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 93 号: 12 ページ: 122010-122010
  • DOI: 10.1103/physrevd.93.122010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 金 賢一
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次春季大会(2021年)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 森井 保次
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次春季大会(2021年)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 武政 祐哉
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次春季大会(2021年)
• [学会発表] Recent updates on real-time alert system with IceCube (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原 安野
  • 学会等名: Recent Topics in Time-Domain High-Energy Messenger Astrophysics
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 石原 安野
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 武政 祐哉
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [学会発表] IceCube Gen2計画に向けた次世代光検出器「mEgg」の性能評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 万里子
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [学会発表] Droop correction database for D-Egg modules (2020)
  • 著者名/発表者名: Stephany Vargas
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 森井 保次
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次秋季大会
• [学会発表] Recent progresses on the high energy neutrino astrophysics (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原 安野
  • 学会等名: 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」
• [学会発表] Neutrino Astrophysics: Experimental (2020)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: AAPPS-DACG Workshop on Astrophysics, Cosmology and Gravitation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Constratins on UHECR sources with 9 years of the IceCube EHE data (2018)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: VLVnT - 2018 Very Large Volume Neutrino Telescopes
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of the front-end electronics for the new optical module “D-Egg” for IceCube-Gen2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Nagai
  • 学会等名: 5th International Workshop on New Photon-Detectors
  • 国際学会
• [学会発表] D-Egg: A next-generation optical module for IceCube (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuya Makino
  • 学会等名: VLVnT - 2018 Very Large Volume Neutrino Telescopes
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent results on astrophysics and particle physics from IceCube (2018)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: XLVIII International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アイスキューブ・ジェンツ―(IceCube-Gen2)で視る宇宙ニュートリノ (2018)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: "2019年 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」 "
  • 招待講演
• [学会発表] Recent progresses on the multi-messenger astronomy with neutrinos and cosmogenic neutrino searches (2018)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: The 7th PACIFIC conference (PACIFIC 2018)
• [学会発表] The recent progress on the observation of ultra-high energy universe with neutrinos (2017)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: The second KIAA international Workshop on Astroparticle Physics, “KIAA-WAP II: Cosmic rays in a new era”
• [学会発表] Overview and performance of the D-Egg sensor for IceCube-Gen2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara for the IceCube-Gen2 collaboration
  • 学会等名: the 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2017)
• [学会発表] Differential limit on an EHE neutrino flux component in the presence of astrophysical background from nine years of IceCube data (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeru Yoshida and Aya Ishihara for the IceCube collaboration
  • 学会等名: the 35th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2017)
• [学会発表] High Energy Neutrino Astronomy: An experimental view (2016)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: International workshop on Astroparticle physics at Yachay
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Constraints on UHECR sources from IceCube (2016)
  • 著者名/発表者名: Aya Ishihara
  • 学会等名: 2016 International Conference on Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR2016)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 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/result.html
• [備考]