中性子同時計測による超新星背景ニュートリノの探索

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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。