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2020 年度 実績報告書

マントル地球ニュートリノ観測を目指した海洋底ニュートリノ検出器開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H01909
研究機関東北大学

研究代表者

渡辺 寛子  東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 助教 (70633527)

研究分担者 上木 賢太  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(火山・地球内部研究センター), 研究員 (40646353)
荒木 英一郎  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(地震津波予測研究開発センター), グループリーダー (60359130)
許 正憲  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 特任上席研究員 (70359123)
阿部 なつ江  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 主任研究員 (80302933)
笠谷 貴史  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋機能利用部門(海底資源センター), グループリーダー (90373456)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード地球ニュートリノ / 地球内放射化熱 / 海洋底検出器
研究実績の概要

地球内放射性物質起源の地球ニュートリノは、地球の根本的な謎に関わる地球内放射性物質量を直接観測することができる唯一の手段である。 これまでに地球ニュートリノ観測により地球化学組成モデルに制限を与えたが、大陸上での観測は約70%もの寄与が地殻由来であり地殻の予想モデルの不定性が大きいことにより、より深いマントルの有益な情報を得ることは難しい。本研究は、地殻が薄くより単純な海洋での観測を実現し、マントルの地球化学組成という地球深部の革新的知見を得る大型研究の実現を目指す。
本年度は、海洋底という低温・高圧の特殊環境で目標性能を有する各検出器要素の必要開発性能の洗い出しとその開発を行った。海洋底地球ニュートリノ検出器は、宇宙線ミューオン由来の背景事象の低減のため、3-5 km程度の深海に設置する必要がある。現在稼働中や計画中のニュートリノ検出器とは全く異なる環境であり、この特殊環境下で安定的に稼働する検出器要素の開発が必須である。海水圧による30-50 MPaの高圧と2-4°Cという低温環境、さらに陸から隔絶された環境での安定的な電力供給と通信方法について、 独自の開発と実現方法の検討を行った。これまでの研究で低温下で液体シンチレーターが白濁することが報告されていたが、窒素パージによる水分の除去により低温下でも透明性を保持できることを示した。また、ガラスバイアルによる簡略的な測定で4度の低温下での液体シンチレーターの発光量が8%程度上昇することを実測した。検出器シミュレーションによって、光電子増倍管の耐水圧シールドの許容放射性物質量を求め、必要低減量を見積もった。海洋実験で多数の使用実績のあるガラスシールドの含有放射性物質量のICPMSによる分析を行い、その低減のためにガラスを溶融する坩堝にプラチナコーティングをする案を業者と共に開発した。

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

新型コロナウィルス蔓延の影響を受け、当初予定していた実験装置の開発を行うことができない期間があったものの、検出器シミュレーションやオンラインでの研究推進を進め、研究成果を得ることに繋げることができた。今後の研究推進に必要な開発要素の洗い出しを研究期間開始時に行い、それに沿って開発を行っている。

今後の研究の推進方策

今後は、海底環境を模した実験環境での各検出器要素の開発や、大型検出器の検出感度の見積もりなどを行い、小型プロトタイプ検出器の制作へと集約していく。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2021 2020

すべて 学会発表 (11件) (うち国際学会 8件、 招待講演 6件)

  • [学会発表] マントル地球ニュートリノ直接観測に向けた海洋底反ニュートリノ検出器の研究開発2021

    • 著者名/発表者名
      酒井汰一
    • 学会等名
      第7回超新星ニュートリノ研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Neutrino Geoscience: measuring the Earth's neutrino flux and constraining its compositions2021

    • 著者名/発表者名
      渡辺寛子
    • 学会等名
      Caltech Physics Colloquium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Study of Ocean Bottom Detector for observation of geo-neutrinos from mantle2021

    • 著者名/発表者名
      酒井汰一
    • 学会等名
      XIX International Workshop on Neutrino Telescopes
    • 国際学会
  • [学会発表] マントル地球ニュートリノ直接観測に向けた海洋底反ニュートリノ検出器の研究開発32021

    • 著者名/発表者名
      酒井汰一
    • 学会等名
      第76回日本物理学会年次大会
  • [学会発表] Neutrino Geoscience: measuring the Earth's neutrino flux and constraining its compositions2021

    • 著者名/発表者名
      渡辺寛子
    • 学会等名
      University of Hawaii Physics and Astronomy Colloquium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Geoneutrinos2020

    • 著者名/発表者名
      渡辺寛子
    • 学会等名
      Neutrino 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ocean Bottom Detector2020

    • 著者名/発表者名
      渡辺寛子
    • 学会等名
      Nu Tools Workshop for Applied Anti-neutirno Technology Community
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Simulation Study of Ocean Bottom Detector for observation of geoneutrinos from the mantle2020

    • 著者名/発表者名
      酒井汰一
    • 学会等名
      Neutrino 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Study of Ocean Bottom Detector for observation of geo-neutrinos from mantle2020

    • 著者名/発表者名
      酒井汰一
    • 学会等名
      JpGU-AGU Joint Meeting 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] マントル地球ニュートリノ直接観測に向けた海洋底反ニュートリノ検出器の研究開発2020

    • 著者名/発表者名
      酒井汰一
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] Ocean Bottom Detector2020

    • 著者名/発表者名
      渡辺寛子
    • 学会等名
      Snowmass 2021: Solar and Geoneutrino Workshop
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-12-25  

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