| 研究課題/領域番号 |
20K03998
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
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| 研究機関 | 東京理科大学 (2021-2022)
東京大学 (2020) |
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研究代表者 |
伊藤 博士 東京理科大学, 理工学部物理学科, 助教 (60814720)
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| 研究分担者 |
中野 佑樹 東京大学, 宇宙線研究所, 特任助教 (70781889)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
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| キーワード | 太陽ニュートリノ / 水チェレンコフ検出器 / 新物理探索 / 反電子ニュートリノ / 中性子タグ / ガドリニウム / ニュートリノ / 太陽 / スーパーカミオカンデ / 水チェレンコフ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
太陽内部におけるスピンフレーバー振動模型はローレンツ不変性を破り、電子ニュートリノが反電子ニュートリノへ振動すると予想されている。これによる太陽からの反電子ニュートリノ流量に対して、太陽標準モデルによる流量は無視できるが、従来検出器で検出するためには新たな技術が必要である。本研究はSK-Gd実験を用いて反電子ニュートリノの検出効率を従来から10倍以上改善する。4年間のSK-Gdの運用でローレンツ不変性を破る新物理を探索する。本研究を達成するために以下の項目について遂行する: SKデータを用いたBG推定, シミュレーション開発, 太陽磁場の解析, 系統的な不確定性誤差の評価。
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| 研究実績の概要 |
今年度、硫酸ガドリニウム(Gd濃度で0.011%)を導入したスーパーカミオカンデ(SK-Gd)において、約2年間の水の透過長や微量に混入する放射性不純物濃度の測定を継続して実施し、安定した検出器の運転を実現した。さらに、硫酸ガドリニウムをGd濃度で0.03%に達するよう追加の溶解を実施し、反電子ニュートリノの検出効率の向上を実現した。一方で、反電子ニュートリノ検出感度の改善および背景雑音事象数の見積り不定性低減のために、以下の項目を実施した。
(a)中性子タグ効率に関するAmBe線源のガンマ線および中性子放出量の直接測定：HPGe検出器、NaI(Tl)検出器と液体シンチレータ検出器を駆使してAmBe線源からガンマ線と中性子の頻度および放出比、中性子エネルギースペクトラムを測定した。
(b)BGO結晶の中性子応答の研究：3MeVと14.8MeVの単色エネルギーの中性子をBGO結晶に照射する実験のデータ解析を実施した。BGO結晶中における原子核のクエンチング係数(本来の反跳エネルギーより低く発光し、見かけのエネルギーが低くなる効果)を決定し、SK-Gdシミュレーションにフィードバックする。学術論文にBGO結晶中における酸素原子核のクエンチング係数測定の結果が受理された。
(c)背景雑音事象である宇宙線ミューオンの電荷比と偏極を測定し、とくに神岡地下まで飛来する超高エネルギーのミューオンの性質理解に貢献した。
(d)1996~20118年の純水フェイズのスーパーカミオカンデ観測データを用いて、太陽フレアによって生じる反電子ニュートリノを探索した。太陽活動に密接に関わっているため、ローレンツ不変性を破る新物理探索における不定性低減に間接的に寄与する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
今年度、SK-Gdに硫酸ガドリニウムをさらに増加し、Gd濃度0.03%を達成した。これは捕獲効率50%から75%への増加に相当する。評価線源をいれてエネルギースケールや性能の位置一様性、安定性を継続的に調査した。SK-Gdにおける太陽反電子ニュートリノ探索のために、外堀を埋めるような以下の基礎研究を実施した。
(a) BGOの中性子応答の研究:弾性散乱事象の解析による酸素原子核のクエンチング係数の決定、AmBe線源の中性子放射頻度の測定
(b) SK-Gdにおける宇宙線核破砕で生成される中性子の測定
(c) 宇宙線ミューオンの電荷比・偏極測定
(d) 太陽フレアに関連するニュートリノ探索
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| 今後の研究の推進方策 |
1. シミュレーションで、SK-Gdの背景雑音事象を推定し、現在のGd濃度0.011%および0.03%における感度および、濃度増加したときの感度を見積もる。
2. BGOの中性子応答の研究:中性子とBGOの非弾性散乱の断面積およびビスマスとゲルマニウム原子核のクエンチング係数を決定する。
3. SK-Gd 0.011%濃度の2年間の観測データおよび0.03%濃度の初期観測データを用いて、背景雑音事象となる宇宙線ミューオンによる核破砕同位体生成率を測定する。この事象から、効率よく太陽反電子ニュートリノ事象を選択できる条件を決定し、系統不確かさを見積もる。
4. 宇宙線ミューオンの時期変動(季節変動、太陽活動との相関)を評価し、時期に応じた核破砕同位体事象の生成率の評価を実施する。
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