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2022 年度 実績報告書

超新星ニュートリノと核物理・宇宙化学進化の理論研究

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 19H05811
研究機関東京理科大学

研究代表者

鈴木 英之  東京理科大学, 理工学部物理学科, 教授 (90211987)

研究分担者 山田 章一  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80251403)
鷹野 正利  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00257198)
中里 健一郎  九州大学, 基幹教育院, 准教授 (80609347)
辻本 拓司  国立天文台, JASMINEプロジェクト, 助教 (10270456)
研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2024-03-31
キーワード超新星ニュートリノ / ニュートリノ集団振動 / 原始中性子星 / 状態方程式 / ニュートリノ放出率 / 重力崩壊型超新星爆発 / 宇宙化学進化
研究実績の概要

山田を中心に、ボルツマンソルバーと流体力学ソルバーを結合し、固定した時空の下での流体運動とニュートリノ輸送を軸対称下で一般相対論的に計算し、原始中性子星の中で対流がどのように起こるか、ニュートリノ光度や平均エネルギーにどのような影響があるかを定量的に調べた。またニュートリノ集団振動が生じる可能性も明らかにするとともに、3次元コードには、球座標特異性を避けるための新たな計算手法を開発し、実装した。
鷹野・富樫は、Friman-MaxwellのOne-pion exchange potentialを用いた摂動論的方法にTogashi EOSの情報を反映させることで、Togashi EOSと自己無矛盾な核子制動放射過程でのニュートリノ放射率を計算する研究に着手した。そしてテスト計算の結果、飽和密度より高密度において、妥当な放射率が得られる一方、低密度領域ではクラスター形成の影響が見えることが判明した。
中里らは大質量星の重力崩壊を起源とする背景ニュートリノスペクトルの評価を行なった。その際、核物質状態方程式による不定性だけでなく、ブラックホールを形成する重力崩壊の割合や超新星爆発により残される中性子星の質量の違いが検出感度に与える影響も調べた。結果として、SK-Gdで10年間観測を続けることにより検出の有無から上記の不定性についてある程度の制限が得られることが分かった。
また辻本は、銀河系の異なる銀河構造成分における化学進化計算に基づき星形成環境に依存した超新星頻度とブラックホール形成頻度の評価を行い、グローバルな宇宙化学進化、宇宙星形成史の計算へと駒を進め、宇宙全体における超新星及びブラックホール形成の頻度史を解明した。
鈴木らは、超新星背景ニュートリノの計算に向けた種族合成計算コードの改良と、大質量星コアの重力崩壊に関するMuellerモデルの改良を行った。

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

多次元超新星シミュレーションに関して、3次元コードにおける球座標の特異性に起因する数値不安定が生じ、その対処のために当初予定しなかった時間を要したが、新たな手法を開発し、実装することにより解決した。ニュートリノ反応率の計算に関しては、本年度から理論計算方法の変更を行なったため、当初の予定に比べるとやや遅れているが、新しい方法におけるテスト計算結果によると、低密度でのクラスター形成の影響を除けば、妥当な結果が得られている。超新星ニュートリノの観測予想に関連するテーマでは、背景ニュートリノスペクトルが核物質状態方程式や大質量星の最期にどう依存し、検出感度がどのような影響を受けるのか、個々の要素を完全に分離することは難しいものの、おおよその傾向を理解することが出来たため、おおむね順調に進展している。宇宙化学進化と超新星背景ニュートリノを関連付ける中里・辻本の共同研究も立ち上がった。種族合成計算に関しては、既存の計算コードの改良と、コアの重力崩壊に関するMuellerモデルの計算結果を組み込むことができた。

今後の研究の推進方策

多次元の超新星シミュレーションに関しては、問題は生じたが今は解決しているので、当初の予定通り進める。状態方程式と密接な関係のあるニュートリノ反応率に関しては、低密度領域における核子クラスター形成におけるニュートリノ放射率の不自然な増幅を回避する方法を検討する。そしてそれを踏まえ、Togashi EOSと自己無矛盾な核子制動放射および修正ウルカ過程のニュートリノ放射率の整備を目指す。中里と辻本は協力して、銀河の化学進化に基づく超新星発生率・ブラックホール形成率のモデルを用いて、大質量星の重力崩壊を起源とする背景ニュートリノスペクトルの評価を行なう。特に次世代のニュートリノ検出器における探索感度のみならず背景ニュートリノ観測によるモデルの検証可能性まで調べる。また、原始中性子星表面付近で出現する原子核がニュートリノ放出に与える影響についても検討する。並行して、原始中性子星冷却計算コードのニュートリノ反応率などの更新作業を進める予定である。種族合成計算に基づく超新星背景ニュートリノの評価も、単純化したモデルから始めて、さまざまな観測との整合性を議論していく。

  • 研究成果

    (48件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (13件) (うち査読あり 13件、 オープンアクセス 11件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 6件、 招待講演 3件) 備考 (2件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] 西オーストラリア大学(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      西オーストラリア大学
  • [雑誌論文] The W4 method: A new multi-dimensional root-finding scheme for nonlinear systems of equations2023

    • 著者名/発表者名
      Okawa Hirotada、Fujisawa Kotaro、Yamamoto Yu、Hirai Ryosuke、Yasutake Nobutoshi、Nagakura Hiroki、Yamada Shoichi
    • 雑誌名

      Applied Numerical Mathematics

      巻: 183 ページ: 157~172

    • DOI

      10.1016/j.apnum.2022.08.019

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Protoneutron Star Convection Simulated with a New General Relativistic Boltzmann Neutrino Radiation Hydrodynamics Code2023

    • 著者名/発表者名
      Akaho Ryuichiro、Harada Akira、Nagakura Hiroki、Iwakami Wakana、Okawa Hirotada、Furusawa Shun、Matsufuru Hideo、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 944 ページ: 60~60

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acad76

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A novel Lagrangian formulation to construct relativistic rotating stars: towards its application to their evolution calculations2023

    • 著者名/発表者名
      Okawa Hirotada、Fujisawa Kotaro、Yasutake Nobutoshi、Ogata Misa、Yamamoto Yu、Yamada Shoichi
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 520 ページ: 24~43

    • DOI

      10.1093/mnras/stad075

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Lagrangian construction of rotating star models2023

    • 著者名/発表者名
      Ogata Misa、Okawa Hirotada、Fujisawa Kotaro、Yasutake Nobutoshi、Yamamoto Yu、Yamada Shoichi
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 521 ページ: 2561~2576

    • DOI

      10.1093/mnras/stad647

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Principal-axis Analysis of the Eddington Tensor for the Early Post-bounce Phase of Rotational Core-collapse Supernovae2022

    • 著者名/発表者名
      Iwakami Wakana、Harada Akira、Nagakura Hiroki、Akaho Ryuichiro、Okawa Hirotada、Furusawa Shun、Matsufuru Hideo、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 933 ページ: 91~91

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac714b

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Gravitational wave signals in the deci-Hz range from neutrinos during the protoneutron star cooling phase2022

    • 著者名/発表者名
      Fu Lei、Yamada Shoichi
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 105 ページ: 123028~123028

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.123028

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Leptonic and semi-leptonic neutrino interactions with muons in proto-neutron star cooling2022

    • 著者名/発表者名
      Sugiura Ken’ichi、Furusawa Shun、Sumiyoshi Kohsuke、Yamada Shoichi
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2022 ページ: 113E01~113E01

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac118

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Exploring the Fate of Stellar Core Collapse with Supernova Relic Neutrinos2022

    • 著者名/発表者名
      Ashida Yosuke、Nakazato Ken’ichiro
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 937 ページ: 30~30

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac8a46

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Observing Supernova Neutrino Light Curves with Super-Kamiokande. III. Extraction of Mass and Radius of Neutron Stars from Synthetic Data2022

    • 著者名/発表者名
      Suwa Yudai、Harada Akira、Harada Masayuki、Koshio Yusuke、Mori Masamitsu、Nakanishi Fumi、Nakazato Ken’ichiro、Sumiyoshi Kohsuke、Wendell Roger A.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 934 ページ: 15~15

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac795e

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of nuclear matter and composition in core-collapse supernovae and long-term proto-neutron star cooling2022

    • 著者名/発表者名
      Sumiyoshi Kohsuke、Furusawa Shun、Nagakura Hiroki、Harada Akira、Togashi Hajime、Nakazato Ken’ichiro、Suzuki Hideyuki
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2023 ページ: 013E02~013E02

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac167

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Detection of the 4.4-MeV gamma rays from 16O(ν, ν′)16O(12.97 MeV, 2-) with a water Cherenkov detector in supernova neutrino bursts2022

    • 著者名/発表者名
      Sakuda Makoto、Suzuki Toshio、Reen Mandeep Singh、Nakazato Ken’ichiro、Suzuki Hideyuki
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2023 ページ: 013D02~013D02

    • DOI

      10.1093/ptep/ptac168

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] From Galactic chemical evolution to cosmic supernova rates synchronized with core-collapse supernovae limited to the narrow progenitor mass range2022

    • 著者名/発表者名
      Tsujimoto T
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 518 ページ: 3475~3481

    • DOI

      10.1093/mnras/stac3351

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Potential Signature of Population III Pair-instability Supernova Ejecta in the BLR Gas of the Most Distant Quasar at z = 7.54*2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshii Yuzuru、Sameshima Hiroaki、Tsujimoto Takuji、Shigeyama Toshikazu、Beers Timothy C.、Peterson Bruce A.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 937 ページ: 61~61

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac8163

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Long term behavior of supernova neutrino light curves2023

    • 著者名/発表者名
      Ken'ichiro Nakazato
    • 学会等名
      Workshop on Neutrino Interaction Measurements for Supernova Neutrino Detection
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ニュートリノ核子散乱を考慮した熱化に対する影響2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤侃,山田章一
    • 学会等名
      第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] ニュートリノ核子散乱の熱化に対する影響について2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤侃,山田章一
    • 学会等名
      研究会「中性子星・超新星におけるニュートリノ・原子核物理」
  • [学会発表] 超新星爆発からのニュートリノと重力波の長時間計算2023

    • 著者名/発表者名
      森正光,諏訪雄大,中里健一郎,住吉光介,小汐由介,原田将之,中西史美,Roger Wendell,原田了
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 超新星SN1987Aからのニュートリノ信号再解析による中性子星SN1987Aのパラメータ推定2023

    • 著者名/発表者名
      原田了,諏訪雄大,中里健一郎,森正光,Roger Wendell,小汐由介,中西史美,原田将之,住吉光介
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 超新星後期ニュートリノについての離散データ解析手法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      中西史美,中里健一郎,原田将之,小汐由介,住吉光介,諏訪雄大,森正光,原田了,Roger Wendell
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 銀河の化学進化から予測される超新星背景ニュートリノのフラックス2023

    • 著者名/発表者名
      中里健一郎
    • 学会等名
      新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] 狭範囲に限定された重力崩壊型超新星親星質量が示唆する銀河系化学進化と超新星頻度史2023

    • 著者名/発表者名
      辻本拓司
    • 学会等名
      新学術「地下宇宙」第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] クラスター変分法による核子制動放射過程のニュートリノ放射率II2023

    • 著者名/発表者名
      鷹野正利, 富樫甫
    • 学会等名
      日本物理学会2023春
  • [学会発表] クラスター変分法に基づく核子制動放射のニュートリノ放射率の精密化2023

    • 著者名/発表者名
      鷹野正利
    • 学会等名
      第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] 太陽系近傍データから迫るr過程元素の起源と進化2023

    • 著者名/発表者名
      辻本拓司
    • 学会等名
      「中性子捕獲反応で迫る宇宙の元素合成」研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 原始中性子星外層の後期熱的進化に関する詳細な解析2023

    • 著者名/発表者名
      Liao Jinkun,加藤ちなみ,鈴木英之
    • 学会等名
      第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] 重力崩壊型超新星爆発のブラックホール形成イベントにおけるニュートリノ放出量の評価手法の検討2023

    • 著者名/発表者名
      本間卓磨,中村広貴,加藤ちなみ,鈴木英之
    • 学会等名
      第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] 星の種族合成計算とMuellerの1次元超新星モデルを用いた超新星背景ニュートリノ等の見積もり方法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      中村広貴,本間卓磨,加藤ちなみ,鈴木英之
    • 学会等名
      第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] 種族合成計算コードによるCOコアの質量と半径の評価およびそれらを用いたコンパクト天体の予測2023

    • 著者名/発表者名
      小川翔平,加藤 ちなみ,鈴木英之
    • 学会等名
      第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] 種族合成計算に向けた中性子星合体によるr-process元素合成の研究2023

    • 著者名/発表者名
      萩亮太,鈴木英之,加藤ちなみ
    • 学会等名
      第9回超新星ニュートリノ研究会
  • [学会発表] A magnetically confined mountain on a neutron star with multipole magnetic fields & GR rotating star with arbitrary rotation law2022

    • 著者名/発表者名
      Kotaro Fujisawa, Shota Kisaka, Yasufumi Kojima, Hirotada Okawa, Misa Ogata, Nobutoshi Yasutake, Shoichi Yamada
    • 学会等名
      Symposium on Gravitational wave physics and astronomy
    • 国際学会
  • [学会発表] A novel formulation for the evolution of relativistic rotating stars2022

    • 著者名/発表者名
      Hirotada Okawa, Kotaro Fujisawa, Nobutoshi Yasutake, Misa Ogata, Yu Yamamoto, Shoichi Yamada
    • 学会等名
      23rd International Conference on General Relativity and Gravitation
    • 国際学会
  • [学会発表] Rotation-induced collective neutrino oscillation in a core-collapse supernova2022

    • 著者名/発表者名
      Harada, A., Nagakura, H., Yamada, S.
    • 学会等名
      NEUTRINO 2022 XXX International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics
    • 国際学会
  • [学会発表] Core-collapse Supernova Simulation with Boltzmann Neutrino Transport2022

    • 著者名/発表者名
      Ryuichiro Akaho, Akira Harada, Hiroki Nagakura, Wakana Iwakami, Hirotada Okawa, Shun Furusawa, Hideo Matsufuru, Kohsuke Sumiyoshi, Shoichi Yamada
    • 学会等名
      Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics (UGAP2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A Simulation of Core-collapse Supernovae in Three-dimensional Space with Full Boltzmann Neutrino Transport on the Supercomputer FUGAKU2022

    • 著者名/発表者名
      Wakana Iwakami, Hirotada Okawa, Akira Harada, Hiroki Nagakura, Ryuichiro Akaho, Shun Furusawa, Hideo Matsufuru, Kohsuke Sumiyoshi, Shoichi Yamada
    • 学会等名
      Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics (UGAP2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] 重力崩壊型超新星の三次元数値計算の現状2022

    • 著者名/発表者名
      岩上わかな, 滝脇知也, 中村航, 諏訪雄大, 固武慶, 原田了, 大川博督, 長倉洋樹, 赤穂龍一郎, 古澤峻, 松古栄夫, 住吉光介, 山田章一
    • 学会等名
      「富岳で加速する素粒子・原子核・宇宙・惑星」シンポジウム
  • [学会発表] 「回転する白色矮星の疑似的進化計算」2022

    • 著者名/発表者名
      小形美沙,大川博督,藤澤幸太郎,安武伸俊,山田章一
    • 学会等名
      天文学会2022年秋季年会
  • [学会発表] 「星の重力崩壊計算のための一般相対論的ボルツマン輻射流体コードの開発」2022

    • 著者名/発表者名
      原田了,山田章一,大川博督,岩上わかな,赤穂龍一郎,長倉洋樹,住吉光介,古澤峻,松古栄夫
    • 学会等名
      日本天文学会2022年秋季年会
  • [学会発表] 「任意の角速度分布を持つ一般相対論的回転星の新しい平衡形状」2022

    • 著者名/発表者名
      藤澤幸太郎,大川博督,安武伸俊,小形美沙,山田章一
    • 学会等名
      日本天文学会2022年秋季年会
  • [学会発表] 超新星背景ニュートリノで探る大質量星の最期2022

    • 著者名/発表者名
      芦田洋輔,中里健一郎
    • 学会等名
      日本天文学会2022年秋季年会
  • [学会発表] 状態方程式テーブルでの原子核組成の違いによる超新星・原始中性子星への影響2022

    • 著者名/発表者名
      住吉光介,古澤峻,原田了,富樫甫,長倉洋樹,中里健一郎,鈴木英之
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] クラスター変分法による核子制動放射率の計算2022

    • 著者名/発表者名
      鷹野正利
    • 学会等名
      京都ミーティング2022b
  • [学会発表] 太陽系誕生地と移動に関する考察2022

    • 著者名/発表者名
      辻本拓司
    • 学会等名
      天の川銀河研究会2022
  • [学会発表] 太陽系大移動とスノーボールアース2022

    • 著者名/発表者名
      辻本拓司
    • 学会等名
      研究会「宇宙線で繋ぐ文明地球環境太陽系銀河」
  • [学会発表] クラスター変分法による核子制動放射過程のニュートリノ放射率2022

    • 著者名/発表者名
      鷹野正利, 富樫甫
    • 学会等名
      日本物理学会2022秋
  • [備考] Supernova Neutrino Database

    • URL

      http://asphwww.ph.noda.tus.ac.jp/snn/

  • [備考] Supernova Relic Neutrino Background

    • URL

      http://asphwww.ph.noda.tus.ac.jp/srn/

  • [学会・シンポジウム開催] "Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics"(UGAP2022)2022

URL: 

公開日: 2023-12-25  

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