A05班合宿超新星爆発ニュートリノ

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えみにばし
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1 A05 班合宿超新星爆発ニュートリノ 2013 年 1 月 8 日熱海

2 contents Supernova (SN) neutrino burst introduction detection studies at Super-Kamiokande other experiments Latest result of a search for relic SN neutrinos at SK Neutron tagging studies at SK Gd tests

3 SN neutrino burst

4 J. Beacom, nu2012

5 Core-collapse supernova Standard scenario of the core-collapse supernova Core-collapse Neutrino trapping Core bounce H He C+O Si Fe n n n n n n n Supernova burst Shock wave propagation Shock wave at core n Neutron star Figure from K.Sato n n n n

6 超新星爆発 (SN) ニュートリノバースト爆発のエネルギーの 99% がニュートリノとして放出される E tot ~= erg = J = 6.2x10 58 MeV 1 つあたりのニュートリノエネルギーを 10 MeV だとすると 6.2 x 個のニュートリノ太陽の核子 ( 陽子 + 中性子 ) の数 ~10 57 個ニュートリノバーストの時間は約 10~20 秒銀河付近で SN がおきるのは ~30 年に一回確率 ~10-8 宝くじ 1 等が当たる確率 ~10-7 日本の内閣総理大臣になる確率 ~10-8

7 T. Totani, K. Sato, H. E. Dalhed and J.R. Wilson, Astrophys. J. 496 (1998)

8 SN1987A

9 SN1987A

10 Baksan IMB Irvine-Michigan-Brookhaven

11 B. Jegerlehner, F. Neubig and G. Raffelt, Phys. Rev. D 54 (1996) 1194.

12 K. Scholberg, Lownu 11

13 スーパーカミオカンデ (SK) 岐阜県飛騨市神岡町池の山地下 1000m に設置純水 50kton ( 有効体積 22.5kton) 光電子増倍管約本からなる世界最大の検出器超新星爆発ニュートリノに世界最高感度

14 SK の歴史 SK-I SK-II SK-III SK-IV ID PMTs (40% coverage) Energy Threshold (total electron energy) SK-I SK-II SK-III SK-IV Acrylic (front) + FRP (back) 5182 ID PMTs (19% coverage) ID PMTs (40% coverage) 5.0 MeV 7.0 MeV 4.5 MeV work in progress Electronics Upgrade < 4.0 MeV target

SK IV の新電子回路 (QBEE) PMT signal QTC TDC FPGA Network Interface Card Ethernet Readout 60MHz Clock TDC Trigger Calibration Pulser QTC-Based Electronics with Ethernet 24チャンネル入力 QTC

15 SK IV の新電子回路 (QBEE) PMT signal QTC TDC FPGA Network Interface Card Ethernet Readout 60MHz Clock TDC Trigger Calibration Pulser QTC-Based Electronics with Ethernet 24チャンネル入力 QTC (custom ASIC) 3 段のゲインステージ (QBEE) 広いダイナミックレンジ (>2000pC) H. Nishino et al., NIMA 610, 710 (2009) パイプライン処理 multi-hit TDC (AMT3) FPGA イーサネット読み出し 60MHz システムクロック入力内蔵キャリブレーションパルサー低消費電力 ( < 1W/ch )

SK-I, II, III でのデータ収集 12PMT signals per module Former Electronics (ATM) HITSUM

3msec event window Readout (backplane, SCH, SMP) SK-IV でのデータ収集 hardware

24PMT signals per module New Electronics (QBEE) Periodic trigger (17msec x

16 SK-I, II, III でのデータ収集 12PMT signals per module Former Electronics (ATM) HITSUM Trigger (1.3msec x 3kHz) Trigger logic ヒット情報 (HITSUM) による Hardware Trigger 1.3msec event window Readout (backplane, SCH, SMP) SK-IV でのデータ収集 hardware trigger なし. all hits を取得し software triggers をかける. 24PMT signals per module New Electronics (QBEE) Periodic trigger (17msec x 60kHz) Readout (Ethernet) Clock 60kHz 周期タイミング信号と 17msec TDC window で全ヒットデータを収集 Variable event window by software trigger

17 SK での SN ニュートリノ観測前もって応答を調べることは重要シミュレーションによって応答を調べる Wilson model (Totani et al. ApJ 496, 216 (1998)) を使用事象数の特定逆ベータ崩壊電子弾性散乱方向の決定とその精度

18 K. Scholberg, Lownu 11

19 水との散乱断面積 n e +p -> e + + n n e +e - -> n e +e - n e +e - -> n e +e - n x +e - -> n x +e - n x +e - -> n x +e - n e + 16 O->e - +X n e + 16 O->e - +X n+ 16 O->n+p+N n+ 16 O->n+p+N n+ 16 O->n+n+O n+ 16 O->n+n+O NC cross sections are tentative.

10kpc SN でのニュートリノ事象数 ( ニュートリノ振動無し ) 事象数の期待値 n e +p -> e + + n 7536 events n+e - -> n+e - 404 events n e + 16 O->e - +X

20 10kpc SN でのニュートリノ事象数 ( ニュートリノ振動無し ) 事象数の期待値 n e +p -> e + + n 7536 events n+e - -> n+e events n e + 16 O->e - +X 12 events n e + 16 O->e + +X 89 events n+ 16 O->n+p(n)+X 1329 events the NC interactions do not always generate gamma(s).

21 one SN MC sample for a 10kpc SN n e +p -> e + + n 7589 events n+e - -> n+e events n e + 16 O->e+X ( ) 99 events NC on Oxygen 595 events

22 d=10kpc w/o nu osc. gdn>0.4 and fid. cuts are applied 7MeV inv. beta: 5198 elastic: 282 C.C. on Oxygen : 69 N.C. on Oxygen: 407 reconstructed electron total energy ( MeV)

23 method a likelihood function is defined as k where L N p ( E, dˆ ; dˆ ) i r r r i i SN r n e p, n e, andn ee energy binning k 1~ 5 i event index k L exp( N r ) L k, r k km m we impose a condition Nn ee A Nn e p m The matrix A and the p.d.f.s are obtained using a large SN MC sample. Note that this sample is NOT used for the pointing study. We search for the values of N k r and d SN that maximize the likelihood function, where the following condition is satisfied: L N k r L dˆ SN 0 In total, 12 parameters are varied. i i

24 fit result for one sample of 10kpc SN MC w/o nu osc. 7~10 MeV 10~15 MeV 15~22 MeV 22~35 MeV 35~ MeV one minute to fit a one MC sample (10kpcs SN) containing about 5000 events in the fiducial volume.

fit results of 1000 MC samples w/o nu. osc. true direction s 2.44 0.07(deg.

25 fit results of 1000 MC samples w/o nu. osc. true direction s (deg.) reconstrcuted direction a fit using a function ( b) Asin( b)exp( 2 2 b no bias in the direction s 2 deg. ) (deg.)

26 ニュートリノ振動を含めたシミュレーション A. S. Dighe and A. Y. Smirnov PRD 62, (2000) normal hierarchy inverted hierarchy P H is related to sin2 13

27 A. S. Dighe and A. Y. Smirnov PRD 62, (2000) 5MeV 50MeV

28 A. S. Dighe and A. Y. Smirnov PRD 62, (2000)

29 w/ neutrino oscillations normal hierarchy P H =0 w/ neutrino oscillations normal hierarchy P H =1 n e +p -> e + + n 8152 events n+e - -> n+e events n e +p -> e + + n 8192 events n+e - -> n+e events

30 w/ neutrino oscillations inverted hierarchy P H =0 w/ neutrino oscillations inverted hierarchy P H =1 n e +p -> e + + n 9754 events n+e - -> n+e events n e +p -> e + + n 8214 events n+e - -> n+e events

31 1000 SN MC simulations for each point SK においてニュートリノのみから方向決定可能方向決定精度をさらにあげられるか検討中重力波検出においても重要 : G. Pagliaroli et al. PRL 103, (2009).

32 K. Langanke, P. Vogel and E. Kobe, Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 2629 T=8 (5)MeV, m=0 for n x (n e ). ~360 T=6.26 (4)MeV, m=3t for n x (n e ). ~190

事象の時間的なクラスター探すフィットされてから約 20 秒で完了 SK 実験シフトは 365 日 24

33 SK における超新星爆発即時モニター生データフィットされたデータ real time process 事象のフィットを行うデータ取得後 5~10 分後に完了 Supernova watch 事象の時間的なクラスター探すフィットされてから約 20 秒で完了 SK 実験シフトは 365 日 24 時間これらのプロセスが動いているかどうかモニターしているもし時間的なクラスターが見つかったらエキスパートに電子メール (PC と携帯 ) を自動的に配信

34 新電子回路システム導入による検出器性能向上超新星爆発までの距離と SK で観測される事象数の関係新システムでデッドタイムなし旧システムでデッドタイムなし旧電子回路システムでは 4kpc 以内の超新星爆発のニュートリノバーストではデッドタイムができた ~8000 銀河中心新電子回路システムでは 0.3kpc 以内の超新星爆発のニュートリノバーストでもデッドタイムはできない

35 event cluster is found! cluster size > 100? Yes calculate R mean R mean OK? Yes issue Golden alarm No No 即時モニターフローチャート cluster size > 25? Yes calculate R mean R mean OK? Yes issue Normal alarm No No R mean N 1 rij i 1 j i 1 C N issue Silent alarm N 2 すぐに関係者を招集し TV 会議を開き議論本物だと見なされれば全世界の発表発生から 1 時間以内エキスパート内で議論必要であれば TV 会議を開くエキスパートにのみ電子メール 1 日に平均 2 通

36 silent normal golden LMC URSA Major I Canes Venatici II model used: T. Totani et al., ApJ 496, 216 (1998).

37 これまで発生したアラームのほとんど全てが宇宙線ミューオンによる spallation によるもの (~2 アラーム / 日 ) silent alarm の 1 例事象の位置分布をみることにより spallation だと判断できる定量的には R mean を用いる

38 SK における SN バースト探索 SK-I-IV の日のデータを用いた解析事象選択は太陽ニュートリノ解析と同様 20 秒時間幅で運動エネルギー 15.5MeV 以上の事象が 2 つあることを要求クラスターサイズが 2 より大きい (2) のとき Rmean > 1000cm (750cm) を要求 780kpc MC 100kpc MC 100kpc 以内で 90%C.L. で 0.20 SN/year の制限を与えた

40 IceCube における SN 検出シミュレーション IceCube collaboration A&A 535, A109 (2011) 10kpc 検出器のヒットレートから SN を検出する標的の大きさ ~1 km 3

41 K. Inoue

42 K. Inoue

43 K. Inoue

45 Lothar Oberauer, nu2012

46 Lothar Oberauer, nu2012

47 Y. Yokoyama, nu2012

48 HK LOI

49 SN relic neutrino search

50 超新星背景ニュートリノ (Supernova Relic Neutrinos) 原子炉ニュートリノ (n e ) 太陽ニュートリノ 8B(n e ) 太陽ニュートリノ hep(n e ) Constant SN rate (Totani et al., 1996) Totani et al., 1997 Hartmann, Woosley, 1997 Malaney, 1997 Kaplinghat et al., 2000 Ando et al., 2005 Lunardini, 2006 Fukugita, Kawasaki, 2003(dashed) SRN(n e ) 大気ニュートリノ (n e ) 期待される SRN 信号事象の数事象 /22.5kton/year (10-30MeV) 事象 /22.5kton/year(18-30MeV) 低いエネルギー閾値と大きな体積が必要

51 J. Beacom, nu2012

52 SK での SRN 探索 SK I, II, III のデータを使用 (2853 日 ) エネルギー閾値は 16MeV それ以下のエネルギーではスパレーション事象によるバックグランドが多数その他のバックグランド大気ニュートリノ CC による muon (visible) と pion, NC による gamma チェレンコフ角度をみることによって区別大気ニュートリノ CC による muon (invisible) が崩壊した電子と n e CC 事象

Low angle events μ, π 25-45 o Signal region n p e e + 42 o n (invisible) n Isotropic region N

not shown) signal region isotropic region (NC elastic) signal region isotropic region (NC

53 Low angle events μ, π o Signal region n p e e + 42 o n (invisible) n Isotropic region N n reconstructed angle near 90 o SK-I/III combined final data sample MC (decay electron channel not shown) signal region isotropic region (NC elastic) signal region isotropic region (NC elastic) low region (μ/π) low region (μ/π) ν e CC μ/π NC elastic Cherenkov angle distribution degrees

K. Bays et al. Phys. Rev. D 85, 052007 (2012). SK-I/III data ν μ CC ν e CC NC elastic μ/π > C. thr.

54 K. Bays et al. Phys. Rev. D 85, (2012). SK-I/III data ν μ CC ν e CC NC elastic μ/π > C. thr. all background relic degrees degrees degrees E (MeV) Electron total energy threshold: 16 MeV

55 K. Bays et al. Phys. Rev. D 85, (2012). assuming LMA model

56 K. Bay et al., PRD 85, (2012)

57 K. Bays et al. Phys. Rev. D 85, (2012).

58 neutron tagging with Gd

60 Gd 入り SK (GADZOOKS!) n e p e + n Gd g SK で Gd を使って陽電子と遅延ガンマ線によるコインシデンス J.F. Beacom and M.R. Vagins, PRL 93, (2004). s~49000barn (0.3barn for p). Gd が中性子を吸収すると 3-4 個計 8MeV のガンマ線を放出 SK で Gd を入れることにより 5 年間で SRN の理論的予言に到達可能 spallation 事象の抑制により 10MeV に閾値を下げることが可能見えないミューオン事象を 1/5 にすることが可能

61 Gd 化合物 Gd compound corrosion light attenuation GdCl 3 X O Gd(NO 3 ) 3 O X Gd 2 (SO 4 ) 3 O O 硫酸ガドリニウムが現在考えられている候補 SK の構成物質の腐食テストを実施ステンレスガラスゴム等 SK で使用される物質 37 種類について Gd 2 (SO 4 ) 3 溶液による浸水試験温度が 13 度以下に保たれる SK においては水質に問題はない

62 SK での中性子検出効率の測定 H. Watanabe et al., Astropart., Phys. 31, 320 (2009) Am/Be ソースは 4.43MeV のガンマ線と中性子を放出 4.43MeV ガンマ線は BGO によって検出中性子は容器の中の Gd 水溶液で吸収されエネルギーが計 8MeV ガンマ線を放出この容器を SK の中に配置して SK でデータ収集

63 SK での中性子検出効率の測定中性子捕獲 Gd からのガンマ線エネルギー <E>=4.3±0.1MeV 即発ガンマ線と Gd ガンマ線の時間差 t = 21.2±6.1 ms エネルギー分布は MC と一致遅延時間分布は Gd 溶液中での中性子の自由行程時間と一致中性子タグの効率 66.7%. 偶発バックグランドは即発事象のエネルギーが 10MeV 以上で 2 x10-4 以下

64 EGADS Evaluating Gadolinium s Action on Detector Systems 6.52m SK Here 6.23m 240 PMTs by A. Kibayashi 評価用 200 トン Gd 溶液チェレンコフ装置水の透過率腐食環境中性子線純化装置の試験等平成 21 年度に予算が認められた

65 200 トン水チェレンコフ装置溶液透過率測定装置ガドリニウム溶解タンク水純化装置群

67 EGADS 純化装置

68 透過率の測定装置 6.3m 上部からレーザー光を入射波長 :337~650nm 水位を変えることにより光の減衰長を測定

69 最初の透過率の測定結果

70 Gd 溶液透過率測定水チェレンコフ光 +PMT 量子効率のスペクトルを考慮すると純水の 85% の透過率を達成

71 まとめ SN burst 探索世界中で SN burst のモニターをしている SK はニュートリノのみから方向を決定可能 SN burst が起きたら 1 時間以内にアナウンスするシステム起動中 SN 方向は重力波検出にも有用な情報 SK での SRN 探索モデルの数倍程度まで上限値が与えられた中性子タグバックグランド事象を除くのに有用 SK において陽子ガドリニウムを用いた中性子タグの R&D が進んでいる

72 backup slides

loglikelihood Combined Fit SK-I/II/III combined likelihood combined 90% c.l. ev/yr interacting in 22.5 ktons combined 90% c.l.: < 5.1 ev / yr / 22.5 ktons interacting < 2.7 /cm 2 /s (>16 MeV) < 1.

73 loglikelihood Combined Fit SK-I/II/III combined likelihood combined 90% c.l. ev/yr interacting in 22.5 ktons combined 90% c.l.: < 5.1 ev / yr / 22.5 ktons interacting < 2.7 /cm 2 /s (>16 MeV) < 1.9 /cm 2 /s (scaled to >18 MeV) Comparison to Published /cm 2 /s >18 MeV Published limit 1.2 cross section update to Strumia-Vissani Gaussian statistics Poissonian statistics in fit New SK-I Analysis: E THRESH MeV ε = 52% 78 % (small statistical correlation in samples) improved fitting method takes into account NC New SK-I/II/III combined fit

74 J. Beacom, nu2012

75 J. Beacom, nu2012

スーパーカミオカンデにおける高エネルギーニュートリノ研究

スーパーカミオカンデにおける高エネルギーニュートリノ研究 2009 11 20 Cosmic Ray PD D M P4 ? CR M f M PD MOA M1 ν ν p+p+p+p 4 He +2e - +2ν e MeV e - + p n+ ν e γ e + + e - ν x + ν x p + p, γ + p π + X π µ + ν µ e + ν µ + ν e TeV p + p π + X π µ + ν µ e + ν µ +

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