中性子同時計測による超新星背景ニュートリノの探索

通过同步中子测量寻找超新星背景中微子

基本信息

批准号：
18J00049
负责人：
伊藤慎太郎
金额：
$ 2.33万
依托单位：
Okayama University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J00049/
关键词：
超新星背景ニュートリノ

项目摘要

現在の宇宙はビッグバンによって生まれ、その際水素やヘリウムなどの軽い元素のみ生成された。その後、大質量星への進化を経て、超新星爆発によって様々な元素が合成されたと考えられているが、詳細はまだ分かっていない。この宇宙初期から起きてきた超新星爆発により生成された超新星背景ニュートリノは現在も宇宙を漂っている。この超新星背景ニュートリノのエネルギースペクトラムは超新星爆発の頻度、つまり星の質量や地球からの距離等に依存する。よって、これを捉えることができれば、星や銀河の形成、宇宙の質量分布等の宇宙誕生から現在までの恒星の進化の歴史の理解が劇的に進む。しかし、過去にスーパーカミオカンデにて超新星背景ニュートリノの探索実験が行われたが、発見には至らなかった。超新星背景ニュートリノは強度が弱く、これを観測するにはバックグラウンドを大幅に減らし、検出効率を上げ、かつ探索可能なエネルギー領域を広げる必要があると結論づけられた。そこで、スーパーカミオカンデにガドリニウムを溶解させて中性子を捉える機能を付加させることで、これらの問題点を全て解決して、世界初の超新星背景ニュートリノの観測を目指したSK-Gd実験が計画された。具体的に、0.2%の硫酸ガドリニウム(ガドリニウムで約0.1%) を溶解させることで、約90%の中性子捕獲効率が得られる。本研究では、まずは目標よりも1桁濃度の低い0.02%まで硫酸ガドリニウムを溶解させ、その後検出器が安定化したら徐々に濃度を上げていき、目標の0.2%まで溶解させる。そして、未発見の超新星背景ニュートリノの観測を目指す。2020年度は、ついに0.02%の濃度で硫酸ガドリニウムを溶解させることに成功した。今後はデータ収集を行い、初の超新星背景ニュートリノの観測を目指す。

现在的宇宙是由大爆炸创造的，在此期间只产生了氢和氦等轻元素。此后，人们认为在超新星演化成大质量恒星后，在超新星爆炸中合成了多种元素，但具体细节仍不得而知。超新星背景中微子是由宇宙诞生以来发生的超新星爆炸产生的，至今仍然漂浮在太空中。这种超新星背景中微子的能谱取决于超新星爆炸的频率，即恒星的质量及其与地球的距离。因此，如果我们能够理解这一点，我们对从宇宙诞生到今天的恒星演化历史，包括恒星和星系的形成以及宇宙质量分布的理解，将会取得巨大的进步。然而，过去在超级神冈探测器上曾进行过寻找超新星背景中微子的实验，但并未有任何发现。得出结论：超新星背景中微子强度较弱，观测超新星背景中微子需要大幅降低背景、提高探测效率、扩大可搜索能量范围。因此，SK-Gd实验被规划出来，旨在通过将钆溶解在Super-Kamiokande中并增加捕获中子的能力来解决所有这些问题，从而实现世界上首次对超新星背景中微子的观测。具体而言，通过溶解0.2％硫酸钆(约0.1％钆)，可以获得约90％的中子捕获效率。在这项研究中，我们首先将硫酸钆溶解到0.02%，比目标值低一个数量级，然后，一旦检测器稳定，我们将逐渐增加浓度，直到达到0.2%的目标值。目的是观察未被发现的超新星背景中微子。 2020年，我们终于成功溶解了浓度为0.02%的硫酸钆。未来，我们将收集数据，旨在观测第一个超新星背景中微子。