スーパーカミオカンデにおける核破砕反応の測定と超新星背景ニュートリノの探索

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大質量の恒星は超新星爆発を起こしてその最期を迎えるが、その爆発のエネルギーの99%以上はニュートリノによって放出される。過去の超新星爆発で放出されたニュートリノは現在も宇宙空間を満たしており、これは超新星背景ニュートリノと呼ばれる。超新星背景ニュートリノを実験で測定できれば、超新星爆発の機構や恒星進化への理解が大幅に進むが、観測は難しく現在のところ未発見である。本研究では、大型水チェレンコフ検出器スーパーカミオカンデを利用する。スーパーカミオカンデではガドリニウムを水中に添加し、バックグラウンドとの識別性能を向上する検出器の改良がなされた。改良後の新しい観測データを解析して超新星背景ニュートリノを発見することが本研究の目的である。2022年度の成果のひとつとして、ガドリニウムを導入したスーパーカミオカンデの観測データを解析し、宇宙線ミューオン起源の中性子生成率の測定を実現した。中性子検出効率の向上によるバックグラウンドの削減を目的とし、ガドリニウムを導入したが、この研究成果により、ガドリニウムを導入したスーパーカミオカンデによる高い中性子検出効率が実証され、超新星背景ニュートリノ探索が実現可能であることが確認された。研究結果は論文にまとめ、学術雑誌へ投稿した。さらに、超新星背景ニュートリノの探索感度を制限するバックグラウンドであるリチウム9の測定を行った。スーパーカミオカンデに飛来する宇宙線ミューオンが形成するシャワーは、水中の酸素原子核を破砕して不安定核を生成するが、特にリチウム9の中性子を伴うベータ崩壊事象は超新星背景ニュートリノ事象と酷似しており、除去が難しい。2022年度はリチウム9のベータ崩壊で放出される電子のエネルギー分布を測定し、その成果を日本物理学会などで報告した。