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2021 年度 実績報告書

超新星背景ニュートリノの高感度観測でせまる宇宙星形成の歴史

計画研究

研究領域地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化
研究課題/領域番号 19H05807
研究機関東京大学

研究代表者

関谷 洋之  東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (90402768)

研究分担者 高久 雄一  筑波大学, 数理物質系, 研究員 (40715497)
竹内 康雄  神戸大学, 理学研究科, 教授 (60272522)
鈴木 良一  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 首席研究員 (80357300)
研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2024-03-31
キーワード宇宙史 / 超新星爆発 / ニュートリノ / 星形成 / 低放射能技術
研究実績の概要

本計画研究では過去の宇宙の進化の中で起こった超新星爆発によって生成され、現在の宇宙に蓄積されている「超新星背景ニュートリノ」を直接観測することで現在の宇宙の姿や生命の起源について根源的な問いにアプローチする。超新星背景ニュートリノ検出を制限しているバックグラウンドを削減するためには、スーパーカミオカンデ(SK)検出器にガドリニウム(Gd)を導入することで中性子捕獲事象を同定することが有効である。本年度はさらなる硫酸ガドリニウムの追加のための製造したの硫酸ガドリニウムの評価、および導入時のさらなる純化のためのカチオン交換樹脂の開発導入を行った。具体的には硫酸ガドリニウム製造ラインを増強し追加導入する全26トンを半年で製造できる体制を整えた後、今年度製造された硫酸ガドリニウム18トンを高感度Ge半導体検出器とICP-MSで評価し、純度に問題ないことを確認した。またこの硫酸ガドリニウムを用いてカチオン交換樹脂の製造を行った。
一方、Gd導入前の純水フェーズのスーパーカミオカンデにおいて、陽子による中性子捕獲(効率20%)を用いた反電子ニュートリノ探索を行い、超新星背景ニュートリノに対する制限を導出した。結果は15MeV程度の低エネルギー領域まで含め世界で最も厳しい制限であり、いくつかのモデルで予言された領域に初めて到達するものとなった。
また、新たなステンレス表面処理技術の適用によるラドン測定システムのバックグラウンド削減に引き続き取り組んだ。4種類の異なる表面処理を施し、表面処理の違いによるバックグラウンドレベルの差を測定しその結果最も低かった処理を用いた新型の80Lラドン検出器を試作した。
エネルギー較正用電子加速器の開発では、Cバンド定在波型加速管と大電力クライストロンを接続し、加速管の真空環境を改善することで大電力マイクロ波を加速管に導入可能にした。

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

スーパーカミオカンデ内のGd濃度を0.03%に高めるための準備が想定より早く進められており、2022年度前半には必要な26トンすべての硫酸ガドリニウムが準備できいる見込みが立っている。また、超新星背景ニュートリノ探索自体は、純水時期のデータを用いて解析方法の改善が進みこれまでの制限を大きく更新することができた。

今後の研究の推進方策

スーパーカミオカンデへ26トンの硫酸ガドリニウムを追加することを進める。これまでに開発・運用した硫酸ガドリニウム溶解装置は一日400kg導入する仕様であるが、これを一日800kg導入できるよう増強し、1か月間で全26トンの導入を完了させる予定である。具体的には粉体導入部の拡大と溶解槽内の配管改良による溶解時間の短縮を図る。
超新星背景ニュートリノ探索において、Gd濃度増加後に残る最大のバックグラウンドは大気ニュートリノの中性カレント(NC)事象である。0.03%Gd濃度にした後再開されるT2K実験のデータから、中性弾性散乱と荷電準弾性散乱イベントにおける中性子数を比較することでエネルギー毎に中性数の期待値やそれの一次反応点からの飛行距離を検証する。NCQE事象のエネルギー領域はT2Kイベントのエネルギーとほぼ一致しているので、ニュートリノ反応点から近くの一個の中性子しか作らない超新星背景ニュートリノ信号と、遠く飛ぶ複数の中性子を伴う大気ニュートリノNCイベントとの識別を行う。
ラドン測定の高感度化について、今年度に試作した新型の80Lラドン検出器の性能評価(バックグラウンド測定とラドン検出効率の測定)を引き続き行う。また、新たなラドン除去空気の製造方法の検討を開始する。
エネルギー較正の加速器開発においては、クライストロンと主加速管及び電子入射器を接続し、加速管のコンディショニングを行いながらマイクロ波出力を徐々に上げていき、MeVオーダーの電子加速を実現するとともに、往復加速のためのビーム軌道折り返し機構を開発する。

  • 研究成果

    (42件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 8件、 招待講演 12件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] BC Institute of Technology/TRIUMF/University of Toronto(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      BC Institute of Technology/TRIUMF/University of Toronto
    • 他の機関数
      2
  • [国際共同研究] Boston University/Brookhaven National Laboratory/Univ of California. Irvine(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Boston University/Brookhaven National Laboratory/Univ of California. Irvine
    • 他の機関数
      6
  • [国際共同研究] LLR/Ecole Polytechnique(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      LLR/Ecole Polytechnique
  • [国際共同研究] INFN Bari/INFN Napoli/INFN Roma(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      INFN Bari/INFN Napoli/INFN Roma
    • 他の機関数
      2
  • [国際共同研究] Imperial College London/Kings College London/University of Oxford(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      Imperial College London/Kings College London/University of Oxford
    • 他の機関数
      3
  • [国際共同研究]

    • 他の国数
      4
  • [雑誌論文] Search for solar electron anti-neutrinos due to spin-flavor precession in the Sun with Super-Kamiokande-IV2022

    • 著者名/発表者名
      Abe K et al., The Super-Kamioknade collaboration
    • 雑誌名

      Astroparticle Physics

      巻: 139 ページ: 102702~102702

    • DOI

      10.1016/j.astropartphys.2022.102702

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] First gadolinium loading to Super-Kamiokande2022

    • 著者名/発表者名
      Abe K et al., The Super-Kamioknade collaboration
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      巻: 1027 ページ: 166248~166248

    • DOI

      10.1016/j.nima.2021.166248

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Diffuse supernova neutrino background search at Super-Kamiokande2021

    • 著者名/発表者名
      Abe K et al., The Super-Kamioknade collaboration
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 104 ページ: 122002

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.122002

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] SuperK/HyperK GRBs2022

    • 著者名/発表者名
      Motoyasu Ikeda
    • 学会等名
      Synergies at new frontiers at Gamma-rays, Neutrinos and Gravitational Waves
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Galactic Supernova Detection with EGADS/HEIMDALL2022

    • 著者名/発表者名
      Lluis Marti-Magro
    • 学会等名
      Synergies at new frontiers at Gamma-rays, Neutrinos and Gravitational Waves
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supernova neutrino detection in Super-Kamiokande and Hyper-Kamiokande2022

    • 著者名/発表者名
      Guillaume Pronost
    • 学会等名
      Synergies at new frontiers at Gamma-rays, Neutrinos and Gravitational Waves
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SK-Gdにおける超新星ニュートリノと酸素原子核との反応についての研究2022

    • 著者名/発表者名
      中西史美
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] スーパーカミオカンデによる超新星爆発警報のための超新星爆発モデルを用いた検出器応答シミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      柏木ゆり
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] Super-Kamiokande Supernova monitoring upgrade with Gd neutron capture2022

    • 著者名/発表者名
      Guillaume Pronost
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] スーパーカミオカンデ実験における宇宙線ミューオンのスピン偏極度測定の現状2022

    • 著者名/発表者名
      北川芙西音
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] SK-Gd実験におけるAm/Be線源を用いた中性子検出効率評価2022

    • 著者名/発表者名
      原田将之
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] SK-Gdにおける宇宙線ミューオン由来の核破砕中性子捕獲信号を用いたエネルギー較正の研究2022

    • 著者名/発表者名
      志摩靜香
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] スーパーカミオカンデガドリニウム実験のための16N崩壊を用いたエネルギースケール評価2022

    • 著者名/発表者名
      兼村侑希
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] スーパーカミオカンデにおける検出器応答の上下非対称性の検証2022

    • 著者名/発表者名
      重田夏希
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] スーパーカミオカンデ検出器の構成要素の理解にもとづくエネルギースケールの較正2022

    • 著者名/発表者名
      清水光太郎
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] GADS/HEIMDALL - a galactic core collapse supernova detector2022

    • 著者名/発表者名
      Lluis Marti-Magro
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] SK-Gdの現状と将来2022

    • 著者名/発表者名
      家城佳
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] SK-Gdにおける中性子検出を用いたニュートリノ事象再構成手法2022

    • 著者名/発表者名
      三木信太郎
    • 学会等名
      第28回 ICEPP シンポジウム
  • [学会発表] スーパーカミオカンデガドリニウム実験のためのNytrogen-16を用いたエネルギースケール評価2022

    • 著者名/発表者名
      兼村侑希
    • 学会等名
      第28回 ICEPP シンポジウム
  • [学会発表] SK-Gdの中性子識別向上のための光電子増倍管ノイズ解析2022

    • 著者名/発表者名
      前川雄音
    • 学会等名
      第28回 ICEPP シンポジウム
  • [学会発表] SK-Gdにおける宇宙線ミューオン由来の中性子捕獲信号を用いたエネルギー再構成の改善2022

    • 著者名/発表者名
      志摩靜香
    • 学会等名
      第28回 ICEPP シンポジウム
  • [学会発表] SK実験オーバービュー+SK-Gdにおける中性子とミューオン崩壊電子の識別2022

    • 著者名/発表者名
      Han Seungho
    • 学会等名
      第28回 ICEPP シンポジウム
  • [学会発表] スーパーカミオカンデにおける太陽ニュートリノ観測とSK-Gdの現状2022

    • 著者名/発表者名
      家城圭
    • 学会等名
      2021年度ICRR共同利用成果発表会
  • [学会発表] SK-Gd報告2022

    • 著者名/発表者名
      細川佳志
    • 学会等名
      超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] Pre-Supernova Alert System for Super-Kamiokande with Gadolinium2021

    • 著者名/発表者名
      Lucas N Machado
    • 学会等名
      Probe into core-collapse SuperNovae via Gravitational-Wave and neutrino signals (SNeGWv2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supernova neutrino detection in Super-Kamiokande2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Koshio
    • 学会等名
      INT workshop, ‘New Directions in Neutrino Flavor Evolution in Astrophysical Systems’
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Super-K Gadolinium2021

    • 著者名/発表者名
      A. Goldsack
    • 学会等名
      International Workshop on Neutrinos from Accelerators (NuFact2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Status of Super-Kamiokande Gadolinium project2021

    • 著者名/発表者名
      Motoyasu Ikeda
    • 学会等名
      17th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SK-Gd looks forward2021

    • 著者名/発表者名
      Ll. Marti-Magro
    • 学会等名
      37th International Cosmic Ray Conference (ICRC2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] スーパーカミオカンデアップグレード2021

    • 著者名/発表者名
      関谷洋之
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会 (一般シンポジウム講演)
    • 招待講演
  • [学会発表] SK-Gdにおける超新星観測の現状と展望2021

    • 著者名/発表者名
      中島康博
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会 (一般シンポジウム講演)
    • 招待講演
  • [学会発表] 素粒子・原子核実験を通して行う超新星背景ニュートリノ精密観測2021

    • 著者名/発表者名
      小汐由介
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会 (一般シンポジウム講演)
    • 招待講演
  • [学会発表] 計画研究C01 超新星背景ニュートリノの高感度観測でせまる宇宙星形成の歴史2021

    • 著者名/発表者名
      関谷洋之
    • 学会等名
      新学術「地下宇宙」2021年度領域研究会
    • 招待講演
  • [備考] 地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化

    • URL

      https://www.lowbg.org/ugap/index.html

  • [備考] Super-Kamiokande

    • URL

      https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk_new/

  • [備考] 超新星背景ニュートリノの探索(SK-Gdプロジェクト)

    • URL

      https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/srn.html

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公開日: 2022-12-28  

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