2015 Fiscal Year Annual Research Report
ニュートリノ観測から制約する核－マントルの化学組成
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
|---|
| Project/Area Number |
15H05833
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
田中 宏幸 東京大学, 地震研究所, 教授 (20503858)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山野 誠 東京大学, 地震研究所, 准教授 (60191368)
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)
榎本 三四郎 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員准科学研究員 (90400225)
飯塚 毅 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 講師 (70614569)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
|
| Keywords | 地球ニュートリノ / 核 / マントル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
2005年我が国で世界に先駆けて、地球ニュートリノが観測されて以降、地球ニュートリノ研究は我が国の地球惑星科学と密接に連携しない状態で個別に発展してきたため、研究者間で本来共有できるはずの地球科学的知見が横断的に活用されていない。これでは研究分野の発展はありえない。この限界を乗り越える方法が、当研究テーマである「ニュートリノ観測から制約する核－マントルの化学組成」である。本領域を創成する過程で、素粒子物理学、地球科学の境界領域において、お互いの成果を利用できる体制を整備し、異分野間の連携を継続的に強化することに本研究の特色がある。我が国で測定される地球ニュートリノ流量の統計精度は本領域研究が終了するまでに世界最高精度に達する予定である。その結果、マントル内部の主要熱源である放射性物質量を直接反映する地球ニュートリノの観測頻度の見積量がより正確になる。従って、地球ニュートリノ観測データから地球内部の熱生成がより正確に計算できる。核－マントルにおける発熱量は、地球内部の対流の様子や、地球を形成した始原隕石の種類と密接に関係しており、観測精度向上は様々存在するマントル発熱量モデルの識別精度の向上を意味し、多くの新たな知見をもたらす。また、本研究で開発されるもう一つの柱である到来方向検知型ニュートリノ検出器を発展させれば、従来技術では不可能とされていた地球深部のウラン、トリウム分布の3次元イメージングも将来可能となる。この２本の柱に対して、平成２７年度は岩石試料の分析、地下温度構造モデリング、KamLANDデータの解析、到来方向検知型ニュートリノ検出器開発の４項目に対して、立ち上げ及び基礎技術開発を進めた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
H27年度：H27年度は立ち上げ及び基礎技術開発に重点を置き、以下の3つの項目について実施する。
（1）【岩石試料の分析】日本国内で産出する、深度や場所が異なる5地域の岩石試料試料について，試料を分析した。そのうち、平成27年度はユーラシアプレート上の下部地殻（西南日本）より2地域の試料を分析した。
（2）【地下温度構造モデリング】日本列島陸域の地震観測井・地下水観測井等における孔内温度分布計測データを収集・整理した。これらの温度データに対する、地表面温度の時間変動や地下水流動の影響を、数値計算や孔内温度の長期計測によって評価し、補正を行った。
（3）【KamLANDデータの解析】平成27年度中には、2013年の論文発表から更に3年程度の原子炉停止期間のデータが蓄積され、その雑音の少ないデータを用いて検出器自体の理解を進め、地球ニュートリノ観測の背景ノイズイベントの理解、検出器由来の系統誤差の低減を行った。
（4）【到来方向検知型ニュートリノ検出器開発】これまでに行って来たリチウム含有液体シンチレーターと高位置分解能イメージング検出器の開発結果を合わせることで、20リットル程度の小型テスト検出器を製作した。既存の実験装置を最大限に利用し、低コストかつ迅速に実験を進め、各要素の性能評価と最終デザインに向けた改善点の洗い出しを行った。また、並行してリチウム含有液体シンチレーターの長期安定性向上に向けた開発を行った。
|
| Strategy for Future Research Activity |
【岩石試料の分析】平成28年度は残る国内3か所のうち北米プレート上の下部地殻（東北日本）より2地域の試料を、H29年度は北米プレート上の下部地殻の断面が露頭として現れている日高変成帯の岩石試料を分析する。H30年度以降は、主要元素と微量元素組成の間の相関関係を見出し、トモグラフィから得られる地殻浅部構造の情報を活用することで、日本島弧地殻の岩石組成モデルを構築する。
【地下温度構造モデリング】H28～29年度は、地表面における熱流量値を精度よく求め、地下温度構造を推定し、地震波速度構造と元素組成を結びつけるための基礎データとする。H30年度以後は、地殻内の放射性発熱量や熱伝導率の分布を求め、地球物理・岩石学のデータと最も整合的な、島弧地殻内の温度とウラン、トリウムの分布を得る。
【KamLANDデータの解析】H28年度はノイズ低減を図り、H29年度は、地球ニュートリノ流量モデリングの必要精度についてH28年度の実施内容にフィードバックをかける。H30年度以降は、マントル内部のウラン、トリウム濃度を決定する。開発した手法をBorexino近傍の地球ニュートリノ流量モデリングに適用し、比較を行う。ニュートリノフラックスとマントル対流モデルパラメータとの結びつけを行う。
【方向到来検知型ニュートリノ検出器開発】H28年度は小型テスト検出器を用いた測定によって得られた実測値をもとに、シミュレーションによる中型検出器のデザインを行う。また、イメージを3次元構成するためのアルゴリズム、読み出しエレクトロニクスの開発とデータ処理方法の確立を行う。H29～30年度に中型検出器を作成し、反ニュートリノ到来方向測定の測定感度を求める。H31年度はテスト実験を行う為に中性子ビームラインへ中型検出器を移設し、高統計で到来方向測定の感度を求める。
|
