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本研究の目的は、ガドリニウム含有水を用いたスーパーカミオカンデによる超新星背景ニュートリノの観測である。その目的を達成するために、主要なバックグラウンドとなる宇宙線ミューオン起源の核破砕生成物を測定した。本研究では、ミューオン核破砕により水中に生成される(1)中性子および(2)リチウム9を測定した。
(1) スーパーカミオカンデ超純水中へのガドリニウム導入に伴い、ガドリニウムによる中性子捕獲事象を確認するため、宇宙線ミューオン起源の核破砕中性子の生成率を測定した。これは水標的を用いた中性子生成率の測定としては二例目である。また、スーパーカミオカンデ近傍に位置する液体シンチレータ検出器KamLANDにおいても、過去に核破砕中性子の測定が行われている。そのため、本測定をもって、同等の深さで異なる標的を用いて中性子生成率を測定した初めての例となった。
(2) スーパーカミオカンデに飛来する宇宙線ミューオンは水中での核破砕反応により、中性子だけでなく多様な不安定核種も生成する。中でもリチウム9はベータ崩壊反応により電子と中性子を放出するが、これは陽電子と中性子が発生する超新星背景ニュートリノの反応と酷似しているため、超新星背景ニュートリノ探索の主要なバックグラウンドとなる。リチウム9のベータ崩壊により放出された電子のエネルギースペクトルについて、ガドリニウム導入前のスーパーカミオカンデでは8MeV以上のエネルギーでの測定が行われていたが、本研究ではその下限値を4.5MeVまで引き下げての測定を実現した。
以上はガドリニウム含有水を用いたスーパーカミオカンデによる超新星背景ニュートリノの観測に繋がる研究成果である。
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