| 研究課題/領域番号 |
21J22781
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
酒井 聖矢 岡山大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | 超新星背景ニュートリノ / スーパーカミオカンデ / SK-Gd実験 / シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
SK-Gd実験で超新星背景ニュートリノの世界初観測を実現するには、より高精度なシミュレーションを用いて観測データと比較・検証することが必須となる。そこで、最新の物理モデルを搭載するGeant4ベースのシミュレーション(SKG4)が開発された。
この実用化に向けて、私は運動エネルギー1 GeVの電子あるいはミューオンを用いたSKG4の性能評価を進めてきた。その結果、現行のGEANT3ベースのシミュレーション(SKDETSIM)とSKG4でガンマ線と原子核の反応モデルや荷電粒子のエネルギー損失が異なること、SKDETSIMと比べてSKG4では荷電粒子の大角度散乱が抑制されることが分かった。これらの結果および考察を国内会議やスーパーカミオカンデ(SK)実験グループの会議で報告した。
また、これまでSKG4には検出器較正実験で利用されるNi-Cf線源(ガンマ線源)のジオメトリが実装されていなかった。そこで、SKG4に新たにNi-Cf線源のジオメトリを実装し、さらにカリホルニウム(Cf)の自発核分裂によって発生する中性子からシミュレーションを行うように変更を加えた。その結果、これまで再現できていなかったSK-Gd実験でのNi-Cf線源によるエネルギー分布を高精度で再現できるようになった。また、SK-Gd実験開始前のエネルギー分布を再現するにはCfの自発核分裂で発生するガンマ線を適切に導入する必要があることも分かった。これらの結果および考察をSKのシミュレーショングループの会議や検出器較正実験グループの会議で報告した。
そして、SKDETSIMやSKG4で水質の上下非対称性の度合いを調整し、SKG4でもSKDETSIMに匹敵するくらいデータを高精度で再現できることを確認した。この結果および考察をSKのシミュレーショングループの会議で報告した。
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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
本研究の目的は、SK-Gd実験で超新星背景ニュートリノの世界初観測を実現することであり、そのためには世界最高精度のn-O反応(中性子と酸素原子核の反応)モデルを構築して大気ニュートリノのNCQE反応数(大気ニュートリノが原子核内の核子を弾き出し、原子核を励起させる反応の数)をより正確に見積もる必要がある。
今年度の目標として、RCNPで行われたn-O反応による脱励起ガンマ線のエネルギー・生成断面積測定の結果を用いて新たなn-O反応モデルを構築することを掲げていた。しかし、現時点でそのデータ解析が終了しておらず、n-O反応モデルを構築する段階に未だ至っていない。ただ、これまでの研究を通して私はGeant4のコードを大いに把握することができ、どのコードを変更すれば新たな物理モデルを構築・実装できるかの目処が立っている。また、測定データの解析が終わっていないとは言ったものの、解析はすでに終盤に差し掛かっており間も無く終了する見込みである。よって、解析が終了して新たなn-O反応モデルを構築する準備が整えば、すぐにSKG4に実装することができるはずである。
また、T2K実験で公開されているNCQE反応で発生する中性子の個数やエネルギーを用いてSKG4の調整を行うことも今年度の目標として掲げていた。これについても現時点では達成できていないが、これまでの研究で培った知識を活用すればすぐに達成できるはずである。
そして、これまでの経験を活かすことで今後の研究(NCQE反応数の見積もりや超新星背景ニュートリノ探索)も円滑に進められるはずである。
以上の理由から、本研究はおおむね順調に進展しているという評価を下した。
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| 今後の研究の推進方策 |
5月下旬から7月中旬にかけてSKのタンク内にガドリニウム(Gd)を導入し、質量濃度を0.011%から0.03%まで上げる。このGd導入作業に主要メンバーとして参加し、Gdの導入を遂行する。SKで定期的に行われる検出器較正実験にも参加し、SK実験グループと議論を交わしながら取得したデータの解析を行い、その結果および考察を国内外の会議、SK実験グループの全体会議で報告する。
また、RCNPで行われたn-O反応による脱励起ガンマ線のエネルギー・生成断面積測定の結果を用いて新たなn-O反応モデルを構築し、SKG4に実装する。SKG4に実装する際は、ツールを作成しているグループやRCNPで実験を行った方々と議論を交わしながら作業を進める。さらに、T2K実験で公開されているNCQE反応で発生する中性子の個数やエネルギーを用いてSKG4の調整を行う。それにより、大気ニュートリノのNCQE反応におけるn-O反応由来の系統誤差を3%以下に落とす。この結果を国内外の会議で発表する。
その後、SK-Gd実験における大気ニュートリノのNCQE反応数を見積もる。その際に新たなn-O反応モデルが実装されたSKG4およびT2K実験のNCQE反応断面積測定の結果を利用し、NCQE反応数見積もりの全系統誤差を10%以下に落とす。この結果および考察を学術論文にまとめる。
そして、0.011%濃度での観測データおよび0.03%濃度での観測データを解析し、世界最高精度での超新星背景ニュートリノ探索を行う。その方法としては、中性子由来の信号を用いて背景事象を除去し、残った事象数を理論で計算されたエネルギースペクトルと比較する。大気ニュートリノのNCQE反応数の見積もりには上記のものを用いる。これらの結果および考察と理論予測の比較を合わせ、学術論文にまとめて発表し、国内会議や国際会議でも報告する。
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