| 研究課題/領域番号 |
21H04989
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
大区分B
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
中畑 雅行 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (70192672)
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| 研究分担者 |
小汐 由介 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (80292960)
池田 一得 東京大学, 宇宙線研究所, 助教 (90583477)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
198,900千円 (直接経費: 153,000千円、間接経費: 45,900千円)
2024年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
2023年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
2022年度: 51,220千円 (直接経費: 39,400千円、間接経費: 11,820千円)
2021年度: 123,500千円 (直接経費: 95,000千円、間接経費: 28,500千円)
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| キーワード | ニュートリノ / 超新星爆発 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
超新星爆発は大質量星の中心核が重力崩壊することをきっかけとして起こると考えられており、その爆発エネルギーのほとんどはニュートリノによって10秒程度で放出される。そして星の内部で衝撃波が伝搬し、数分から数十時間後に星から光が放出される。本研究ではスーパーカミオカンデにガドリニウムを導入することによって性能を向上させ、ニュートリノ事象を使って超新星の方向を正確かつ迅速に決定する。それを光学望遠鏡等を用いた観測者へいち早く知らせることによって連携観測をおこなう。
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| 研究実績の概要 |
Super-Kamiokande(SK)では、2020年に硫酸ガドリニウム八水和物の総重量にして約13トンを初導入して、0.01%のガドリニウム濃度で約50%中性子捕獲効率を達成した。その後、約2年間にわたり安定したデータ取得を継続できた。2021年には原料の品質によらない、新たな精製プロセスの開発を企業と共同で行い、その結果、より放射性不純物の少ない硫酸ガドリニウム八水和物を安定して製造することに成功した。2022年には、納品された硫酸ガドリニウム八水和物の全ロットについて、ゲルマニウム検出器とICP-MSを持ちいて品質確認を行った結果、我々の要求を満たすものであることを確認した。2022年6月から7月には、硫酸ガドリニウム八水和物の総重量にして約26トンを追加導入して、 0.03%のGd濃度で75%の中性子捕獲効率を実現させることができた。
超新星爆発方向決定プログラムの改良では、ガドリニウムによる中性子捕獲信号を使って逆ベータ反応事象をタグし、電子散乱事象と区別することで、方向決定精度を向上させた。モデルによっては10kpcの超新星方向決定精度を3度以内という目標を達成できた。さらに、HEALPIXという天文分野で広く使われているスカイマッピングツールを用いて、検出された事象方向をHEALPIX上にマッピングしその分布の形から超新星爆発方向を得ることができる手法を開発した。同時に、これまでの最尤法を用いたプログラムの改良を行い、HEALPIXを用いた手法を組み合わせることで、これまで約10分かかっていた計算を数秒で行うことができ、かつ方向決定精度もより良い結果を得ることに成功した。ハードウェアの改良では、これまで計算時間のボトルネックとなっていたディスクアクセスの向上のために、SSDの導入を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究を申請した際には、2021年度（令和3年度）に高純度硫酸ガドリニウム八水和物を製造し、2022年度（令和４年度）には0.01%から0.03%ガドリニウム濃度になるように硫酸ガドリニウム八水和物を導入するという予定であった。また、その期間に早期に超新星爆発を検知するシステム（高速トリガーシステム）を構築するという予定であった。26トンの硫酸ガドリニウム八水和物製造では、開発した新しい製造方法を用いて、より品質の良い硫酸ガドリニウムを製造することに成功した。2022年6月1日から7月5日にかけて導入が行われた。これらは年次計画に沿っており、遅れはない。その後、水の透過率も9月初めごろまでには安定し、その後各種検出器の較正が行われ、順調にデータ取得が行われている。
また、超新星爆発の信号を早期に捉える高速トリガーシステム(SNWATCH)においては、精度の向上と計算時間の短縮に成功している。具体的には、ガドリニウムによる中性子捕獲信号を使って逆ベータ反応事象をタグし、電子散乱事象と区別することで、方向決定精度を向上させた。モデルによっては10kpcの超新星方向決定精度を3度以内という目標を達成できた。一方で、HEALPIXという天文分野で広く使われているスカイマッピングツールを用いる新たな手法を開発し、同時にこれまでの最尤法を用いたプログラムの改良を行った。その結果、これまで約10分かかっていた計算を数秒で行うことに成功した。ハードウェアの改良では、これまで計算時間のボトルネックとなっていたディスクアクセスの向上のために、SSDの導入を行い、今後パラメータを調整するこでさらなる高速化を目指す。
以上のように研究は当初予定したスケジュールで順調に進んでおり、達成度は「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」と判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
硫酸ガドリニウム八水和物のSKへの導入は順調に完了した。今後いつ超新星爆発が起こっても信号を逃さないようにSK-Gdの安定的な運転を継続していく。超新星爆発方向の計算については、開発した新しい方向計算手法により、これまで分単位の時間がかかっていた計算を数秒に改善されることが分かっている。今後はSNWATCHへの実装に向けて、パラメータの最適化や、MCによるパフォーマンスチェック等、細かい調整と修正を進めていく。一方で、SSDを増設した新しいシステムにおいて、平行処理数の最適化等を行い、さらなる高速化を目指す。上記改良により、世界へのアナウンスにかかる時間を1分以内に抑えることが可能であると見込んでいる。
超新星爆発が起こった時に、世界の天文台に早急に通知するSNWATCH は速報性が最も重視される。それに加えて、より詳細かつ正確なデータ解析（オフライン解析）手順の確立、およびそれに必要な解析プログラムの開発を、2023年度以降で行なっていく。具体的には取得したデータに不備がないかの基本的な確認に加え、観測した事象のエネルギーをより正確に決定することが超新星爆発モデルの特定に必要不可欠であることから、線源や電子ビームを用いた様々な検出器較正をできるだけ迅速に進め、取得した事象のエネルギー・位置・方向・時間をより正確に決定するための手順を固める。また、取得した超新星ニュートリノ観測データから最大限の物理を引き出すためには、電磁波観測（可視光、赤外、X線、γ線、電波）や重力派観測との連携は欠かせない。情報の早急な発信を行うため、国内外を問わず観測・理論の両面での超新星爆発研究コミュニティとの連携をより一層強化していく。それにより超新星爆発におけるマルチメッセンジャー天文学という新たな研究分野を確立する。
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| 評価記号 |
中間評価所見 (区分)
A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる
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