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2018 年度 実績報告書

中性子同時計測を用いた超新星ニュートリノ観測

研究課題

研究課題/領域番号 26000003
研究機関東京大学

研究代表者

中畑 雅行  東京大学, 宇宙線研究所, 教授

研究期間 (年度) 2014 – 2019
キーワードニュートリノ / 超新星爆発
研究実績の概要

超新星背景ニュートリノの観測に向けて、スーパーカミオカンデ(SK)のタンク水にガドリニウム(Gd)を溶解し、逆ベータ反応の際に生成する中性子をGdの捕獲ガンマ線によって同時計測するのが本研究の目的である。超新星背景ニュートリノは宇宙初期から起きてきた超新星爆発からのニュートリノであり、それを捉えることによって宇宙の物質生成の歴史、平均的な超新星ニュートリノのエネルギー分布を探ることができる。本年度は、SKタンクを開けて水漏れを止めるための改修工事をおこなった。Gdは法的な環境基準値が与えられている物質ではないが、SKで研究を行うことを近隣住民の方々に理解してもらうには環境中に漏れることがないようにしてから実験を開始する必要がある。SKタンクはSK実験開始当初から一日当たり約1トンの水漏れがあった。本年度おこなった改修工事では、タンクの壁面を構成しているステンレス板の溶接接合部全線に渡って止水材料を塗布した。工事は平成30年6月から10月にかけて行われ、10月中旬から平成31年1月にかけて超純水の給水が行われた。平成31年2月初めに満水の状態で水漏れ試験を行った結果、有意な水漏れは確認されず、上限値として1日あたり0.017トン以下という結果を得た。これは以前の水漏れ量の200分の1以下であり、環境に与える影響を無視できるレベル以下まで下げることができた。また、本年度は純度の高い硫酸ガドリニウムの開発を継続し、次年度にGdを溶解するための準備を行った。本年度にタンクに超純水を給水する際にはGd溶解後に使用する予定だった水循環装置を使い、タンク水を汲み上げて超純水を循環させた。これにより今回はタンクが満水になった直後でもすぐにSKのニュートリノ観測を再開できた。また、これはGd水循環装置の試運転にもなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初の予定では、平成28年度までにSKタンクを開けて水漏れを止める改修工事を行い、平成29年度にはガドリニウム(Gd)を溶かし始める予定であったが、SKを遠隔装置として使用している長基線加速器ニュートリノ実験(T2K実験)が海外の競合実験と競争関係にあること、止水補強工事に使用する止水材料の確認試験に時間を要してしまったことにより遅れが生じてしまい、実際にSKタンクの改修工事が行われたのが本年度(平成30年)になってしまった。しかし、純度の高いGdの製造方法の開発などGdを溶かすための準備は着実に進んでおり、平成31年度にはGdを溶かして観測が開始できると考えている。そこで、やや遅れていると評価した。

今後の研究の推進方策

平成31年度(2019年度)にはGdを0.01%の濃度でSKタンクに溶かし、超新星背景ニュートリノの観測を開始する。以下、具体的な予定を記す。
0.01%の濃度のGdは「硫酸ガドリニウム」(実際には硫酸ガドリニウム八水和物(Gd2(SO4)3・8H20))の化学形でタンク水に溶かすが、50000トンの純水に対して約13トンの硫酸ガドリニウムを必要とする。2019年4月から製造を開始し10月か11月頃までに全量が納入される。
500kg単位で逐次納入されるが、その単位ごとに放射性バックグラウンドを測定し、条件を満たした製品であるかをチェックする。Gd用水システムは既に溶解装置部分、前処理装置部分は完成しているが、現在循環装置部分は60トン/時での循環用になっており、それを120トン/時で循環できるように機器の整備を10月までにおこなう。また、前処理装置、循環装置で使用する陰イオン交換樹脂(AJ4400タイプ)、陽イオン交換樹脂(AJ1020タイプ)も10月までに製造し、樹脂タンクに充填する。10月以降は数か月間、これらの樹脂を通してまずSKタンクの純水を循環させる。この試験によってGd水循環システムの完全な状態での試運転を行う。T2K実験の予定については、当初は5月、6月にニュートリノビームを出すはずであったが、一部電磁石の故障により、秋の11月、12月頃にデータをとることになりそうである。T2K実験期間中はSKタンクの水に変化を与えることはできないので、このT2Kビーム期間が終わった後に約1か月をかけてGdを溶かす予定である。その後、濃度が一様になるまで数か月間、水循環、装置のキャリブレーションを行い、超新星背景ニュートリノの観測を開始する。

  • 研究成果

    (31件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (29件) (うち国際学会 20件、 招待講演 16件)

  • [雑誌論文] Measurement of the neutrino-oxygen neutral-current quasielastic cross section using atmospheric neutrinos at Super-Kamiokande2019

    • 著者名/発表者名
      L. Wan, et al. (Super-Kamiokande Collaboration)
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 99 ページ: 032005-1 032005-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.99.032005

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of new radon monitoring systems in the Kamioka mine2018

    • 著者名/発表者名
      G. Pronost, M. Ikeda, T. Nakamura, H. Sekiya, and S. Tasaka
    • 雑誌名

      Prog. Theor, Exp. Phys.

      巻: 093H01 ページ: 1, 18

    • DOI

      10.1093/ptep/pty091

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Super-Kamiokande2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Koshio
    • 学会等名
      XVIII International Workshop on Neutrino Telescopes
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Search for neutrino signal associated with Gravitational Wave from Binary Neutron-Star merger2019

    • 著者名/発表者名
      C. Xu
    • 学会等名
      XVIII International Workshop on Neutrino Telescopes
    • 国際学会
  • [学会発表] Preparing for a Gd-loaded Super-K2019

    • 著者名/発表者名
      M. Vagins
    • 学会等名
      Revealing the History of the Universe with Underground Particle and Nuclear Research
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] スーパーカミオカンデによるニュートリノ研究の新展開2019

    • 著者名/発表者名
      中畑雅行
    • 学会等名
      日本学術会議 天文学・宇宙物理分科会 マスタープラン2020 第2回シンポジウム
  • [学会発表] SK-Gdプロジェクト : SK-Gdの準備状況と将来計画2019

    • 著者名/発表者名
      伊藤慎太郎
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] Supernova detection with EGADS2019

    • 著者名/発表者名
      G. Pronost
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] SK-Gdに向けた硫酸ガドリニウム中の不純物測定2019

    • 著者名/発表者名
      岡田健
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] Supernova neutrino detections and Super-Kamiokande2018

    • 著者名/発表者名
      C. Simpson
    • 学会等名
      NuPhys2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] CO2 : Investigation of Supernova Mechanism via Neutrinos2018

    • 著者名/発表者名
      M. Vagins
    • 学会等名
      GW Genesis 2nd Annual Symposium
  • [学会発表] NNN2018 Summary2018

    • 著者名/発表者名
      M. Nakahata
    • 学会等名
      NNN18
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supernova Neutrinos in a Gd-loaded Super-Kamiokande2018

    • 著者名/発表者名
      M. Vagins
    • 学会等名
      SNeGWv18
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SK/SK-Gd water system2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakano
    • 学会等名
      TMEX 2018 WCP
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Radioactive Contaminations in Precision WC Physics : the SuperK-Gd case2018

    • 著者名/発表者名
      L. Labarga
    • 学会等名
      TMEX 2018 WCP
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Pre-Supernova Neutrinos at Super-K with Gadolinium2018

    • 著者名/発表者名
      C. Simpson
    • 学会等名
      The Physics of Supernova Neutrinos
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Current status and upgrade of the Super-Kamiokande experiment2018

    • 著者名/発表者名
      G. Pronost
    • 学会等名
      NuFrontier2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Physics Potential of SK-Gd2018

    • 著者名/発表者名
      C. Simpson
    • 学会等名
      ICHEP2018
    • 国際学会
  • [学会発表] CCSN neutrino detection with Super-Kamiokande and Hyper-Kamiokande2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Koshio
    • 学会等名
      Workshop on core-collapse supernova neutrino detection
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supernova Neutrinos in Water Cherenkov Detectors : Super-Kamiokande and the Next Steps2018

    • 著者名/発表者名
      M. Vagins
    • 学会等名
      Core-collapse Supernovae in the Multi-messenger Era
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Solar neutrino measurements with Super-Kamiokande2018

    • 著者名/発表者名
      M. Ikeda
    • 学会等名
      Neutrino 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Detecting supernova neutrino bursts with SK-Gd prototype : EGADS2018

    • 著者名/発表者名
      G. Pronost
    • 学会等名
      Neutrino 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Pre-Supernova Silicon Burning Neutrinos at Super-Kamiokande2018

    • 著者名/発表者名
      C. Simpson
    • 学会等名
      Neutrino 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Current status and future prospect of Super-Kamiokande2018

    • 著者名/発表者名
      S. Ito
    • 学会等名
      Heavy Quarks and Leptons 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The Myriad Wonders and Challenges of Gadolinium Loading in WC Detectors2018

    • 著者名/発表者名
      M. Vagins
    • 学会等名
      13th Conference on the Intersections of Particle and Nuclear Physics (CIPANP18)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Supernova Neutrinos Without the Annoying Wait2018

    • 著者名/発表者名
      M. Vagins
    • 学会等名
      Las Cumbres Observatory Seminar Series
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Gadolinium Loading of Super-Kamiokande2018

    • 著者名/発表者名
      M. Vagins
    • 学会等名
      4th Theia Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SK-Gdプロジェクト : SK-Gdの準備状況と将来計画2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤慎太郎
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] Ion monitoring in the Kamioka Observatory during the Super-Kamiokande tank open2018

    • 著者名/発表者名
      G. Pronost
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] SK-Gdプロジェクト : EGADS検出器較正2018

    • 著者名/発表者名
      高平康史
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] SK-Gd project : EGADS as galactic supernova detection2018

    • 著者名/発表者名
      L. Marti
    • 学会等名
      日本物理学会

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公開日: 2021-07-06  

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