ニュートリノで探る高エネルギー宇宙

千葉大学 ハドロン宇宙国際研究センター
石原 安野
2021年度(第67回) 仁科記念講演会(ニュートリノ物理と宇宙)

2021年12月４日

恒星天球

De revolutionibus orbium coelestium
Nicolaus Copernicus (1543)

無限宇宙

A Perfit Description of the Celestiall Orbs
Thomas Digges (1576)

CCD/CMOS 400-700nm
1.8-3.8eV

Martin Wolf, IceCube/NSF

対応光子ビームのエネルギー

100PeV 1PeV 10TeV 100GeV

赤外線 可視光
電波

電波

紫外線

赤外線
可視光
紫外線

X線

X線

ガンマ線

𝐸𝛾
𝐸𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠 ∼ 0.3
TeV
𝟒 × 𝟏𝟎−𝟔 𝟒 × 𝟏𝟎−𝟒 𝟎. 𝟎𝟒

𝟒

ガンマ線

−1

[eV]

𝟒𝟎𝟎 𝟒 × 𝟏𝟎𝟒 𝟒 × 𝟏𝟎𝟔 𝟒 × 𝟏𝟎𝟖 𝟒 × 𝟏𝟎𝟏𝟎 [eV][Hz]

The Spectrum of the Universe (R. Hill et al 2018)

光子密度を𝑛とすると−11𝑛ℓ𝛾𝛾 ∼∼ 40Mpc
𝜎𝑇 𝑛10−2 𝑐𝑚−35

Tevatron, Pevatron, EeVatron, ZeVatron

1Parsec(pc) = 3.26 light years

log (attenuation length/Mpc)> TeV gamma-rays

近隣活動銀河核高エネルギー光子
低エネルギー光子

近隣銀河

𝛄𝛄 → 𝐞− 𝐞+

天の川銀河の半径

TeV

PeV

EeV

ZeV
Anchordoqui+
hep-ph/0206072v36

高エネルギー光子
低エネルギー光子

Murase et al JCAP08(2012)030

M. Ackermann et al 2015 ApJ 799 8678

地球上で可視光の持つエネルギーの1020倍ものエネルギーを持つ粒子が観測されている（ただし、100平方キロメートルで一年観測して一回より少ない）(Image credit: Simon Swordy (U. Chicago), NASA)

Image credit: A. Chantelauze / S. Staffi / L. Bret / Pierre Auger Observatory9

宇宙で最も高いエネルギーを持つ粒子はどこから来ているのか
ガンマ線爆発• 遠方宇宙から飛来している• 候補天体は大きいか磁場が強いかその両方かが必要

Hilla’s plot

𝐸 EeV
∼ 𝑍𝐵𝜇𝐺 𝑅𝑘𝑝𝑐

drawn by Murat Boratav

活動銀河核

10

ハイパーノバ > スーパーノバ

Credits: NASA, ESA and M. Kornmesser

A GRB detected by BATSE (from https://www.swift.ac.uk/)

(クエーサー、セイファート銀河、ブレーザー)

銀河

明るさの起源は核融合
たくさんの恒星で光る

高速粒子の流れ活動銀河核:中心に巨大ブラックホールを抱える遠方銀河
ブラックホール:太陽の10億倍質量
明るさ：太陽の一兆倍

BHからの重力による運動
11

12

13

活動銀河核からは超高速ジェットが放出されることがありこのジェットをほぼ正面から観測したものがブレーザー

2ピーク スペクトラ• 電波からX線領域にわたるシンクロトロン放射• ガンマ線領域では逆コンプトン散乱

Third Fermi-LAT AGN Catalog (3LAC) Ackermann et al. (2015)

FSRQ

HBL
Fermi: 100 MeV and 300 GeV• ブレーザーは広い波長帯で非常に明るく、激しい時間変動• 相対論的ビーミング効果で、電磁波のエネルギーは高くなり、強度も増幅され変動時間は短縮される

𝟒 × 𝟏𝟎−𝟓

𝟒

𝟒 × 𝟏𝟎𝟓

𝟒 × 𝟏𝟎𝟏𝟎eV

14

巨大構造はエネルギー貯蔵庫か?

https://universe-review.ca/R03-03-largescale.htm

15①宇宙線陽子がパイオンをつくる②パイオンがニュートリノとミューオンに崩壊

protongp+ ~ 15 𝐸𝑝
nm ~ 1 𝐸𝑝

nm+e+201
𝐸𝑝
ne ~ 201n m ~ 20 𝐸𝑝(中性パイオンがガンマ線に崩壊)
ニュートリノ発生領域からくるガンマ線との相関が有力手段③ミューオンがニュートリノと(陽)電子に崩壊
ニュートリノ発生天体はRadio,可視光からX線、さらに重力波も16knowledge of astro neutrino flux as of 2006
UHECR energy generation rate
𝒅𝑵𝑪𝑹
𝑬𝟐𝑪𝑹～1044 erg Mpc −3 yr −1
𝒅𝑬𝑪𝑹 𝒛=𝟎

PDG’19𝒅𝑵

𝟏𝒅𝑵

𝑬𝟐𝝂 𝒅𝑬 𝝂 ~ 𝟒 𝑬𝟐𝑪𝑹 𝒅𝑬 𝑪𝑹
𝝂𝑪𝑹Francis Halzen arXiv:astro-ph/0611915

F∝E-3.3
second knee at 1017.5eVF∝ E-2.6
ankle at 1018.5eV

𝑬𝟐𝝂 𝒅𝑵𝝂∼ 𝟏 − 𝟓 × 𝟏𝟎−𝟖 𝐆𝐞𝐕 𝒄𝒎−𝟐 𝒔−𝟏 𝒔𝒓−𝟏𝒅𝑬𝝂

cut off at 1019.5eV

N𝜈(E) ~ ɸ𝜈(E) x σ𝜈(E) x Number of target
Flux

𝜈N Cross section

10−20 [𝑐𝑚−2 𝑠 −1 𝑠𝑟 −1 MeV −1 ]𝜎𝜈𝑝 ∼ 𝐸𝜈 × 10−33 𝑐𝑚2 𝑓𝑜𝑟 1 PeV 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑖𝑛𝑜𝑠

10−4 [𝑐𝑚−2 𝑠 −1 𝑠𝑟 −1 MeV −1 ]𝜎𝜈𝑝 ∼ 𝐸𝜈 × 10−37 𝑐𝑚2 𝑓𝑜𝑟 10 GeV 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑖𝑛𝑜𝑠

O(10)
event
# of targets ins per
1 g/cm3
3km~
densitymaterialperyear
体積106 倍頻度10−6 倍Neutrino Telescopes around the world
BAIKAL-GVD

Mediterranean Ocean
KM3NET Phase 1 – ARCA (HE array)
as of April 2021, 6 ARCA strings
On Nov, 2021: 6 months of ARCA
data taking with 6 detection units

2021: Baikal-GVD
8clusters, 288 x
8=2304 opticalmodules

Lake Bikal

South Pole
Glacial ice
BAIKAL-GVD (as of April 2021) 0.4 km3
KM3NET/ARCA (as of April 2021) 0.015 km3

IceCubeIceCube (since 2011) 1km318

アイスキューブ検出器
The largest underground particle detector

16,000 x SuperKtank!

1km

1.5km

86本の2.5kmの穴の中にUV青色光計測装置が5160個!

33 cm diameter glass sphere
25 cm PMT

1km

南極点

アムンゼンスコット
南極基地

7yrs from the end of 2004 to the end of 2021

2021/12/6

Construction of IceCube

The first hole125m

202009-2010: 20 holes

2021/12/6

Deployment of optical sensors
Drilling Over Course of Season

-100

depth

-600
-1100
-1600
-2100
-2600
12/3/09date

12/8/09

12/13/09

12/18/09

12/23/09

12/28/09

1/2/101/7/101/12/10

1/17/10

1/22/10

string 49

21

Environmental condition
for optical sensors• Once deployed, never be pulled out. Long lifetime• High pressure (peak 8000 psi observed at the refreezing phase)• Low temperature (depth dependent, -20C to -40C)• Large heat/cold shock (at the deployment)• Long rough travelHowever, dark and cold environment is an ideal condition for photo sensors!

22Final Acceptance Test (FAT)/South Pole Acceptance Test (SPAT) Systems
Dark freezer lab at Madison, Wisconsin

20 days of temperature cycle

outer temperature at SP

IceCube Operation
Partial operation has started since 2005, full operation since 2011
DOM Survival Rate: >98.3% (an extremely small post-deployment failure rate)
ActualPrediction in 2019

Run time: >99.5% uptime for 8 years

Sensors in the first hole

IceCube Flavor Identifications
Up-going muon track event
νlW,Zmtel,νlGood angular resolusion
nm CC only

hadronicshower〜100TeV

Cascade events
Good energy resolusion

All except nm CC

Tau flavor signatures
Edep~130TeV
PRL 111 (2013) 021103
Phys. Rev. D 84, 072001 (2011)25

super-KAMIOKANDE
検出器の大きさ40m x 40m

IceCube 事象の大きさ
800m x 300m x 300m

IceCube 検出器の大きさ
1000m x 1000m x 1000m
16000倍事象の大きさ6m x 6m

2D to 3D•••

丸一つ一つが光電子増倍管
丸の大きさが観測された光の強さ
色が光が届くタイミング

10 milliseconds
movieFirst observations of cosmic neutrinos

28

Deviation from power law as well as
spectral cut off still not conclusive…

実験デザインで考えた’optimistic’な流量に非常に近かった!
29

エネルギー生成率:
超高エネルギー宇宙線やガンマ線と同レベル

https://arxiv.org/abs/2008.04323

30

Science 361, eaat1378 (2018)• 2017/9/22 20:54:30.43 UTC• 5th and the most cosmic neutrino signal like EHE alert• automated alert was distributed to observers just 43 seconds later
Fermi Telescope
gamma-rays
neutrinos
neutrino observed
optical light

Optical telescopes

Kanata telescope...and many more telescope

Magic telescope

31

32

upward going neutrino induced muon track
23.7±2.8 TeV muon energy loss in the detector

nradioopticalTXS 0506+056 BL Lac
z = 0.3365

x-rayg-ray

HE gamma-ray observations

Gray: Archival

VHE gamma-ray observations•Furthermore TXS 0506+056
was observed VHE gamma-ray
Magic telescope (E > 100GeV)
with >6.2σ (ATel#10817)

33

34

2.9σ after trial correction

x: NGC 1068
(star burst AGN)

34

35

上限値が感度を卓越し有意な信号が見え始めている天体

NGC 1068(star burst AGN)

TXS 0506+056(blazer AGN)

PKS 1424+240(BL Lac Blazer AGN)
IceCube Collaboration
PRL 124 051103 (2020)

GB6 J1542+6129(BL Lac Blazer AGN)

35

36

Estimated neutrino flux
exceeding gamma-raylimits

37

主要生成天体である可能性
IceCube: http://arxiv.org/abs/2111.10169• x-ray and IR bright AGN• x-ray and radio bright AGN

これらの天体からニュートリノが来ていないという仮説は 2.6 sigmaで棄却

First important multi-messenger result

38

39

超新星爆発

活動銀河核
ブレーザー

太陽

地球活動銀河核
セイファート銀河?

ニュートリノのエネルギー<4MeV

ニュートリノのエネルギー<20MeV
天体までの距離1億4960万km(0.00001581光年)

ニュートリノのエネルギー<100MeV
天体までの距離
16万光年(160,000光年)

ニュートリノのエネルギー>100,000,000MeV
天体までの距離40億光年(4,000,000,000光年)**地球から銀河中心までの距離
2.8万光年

活動銀河核
Obscured??

ニュートリノのエネルギー>100,000MeV
天体までの距離6千万光年(60,000,000光年)

系統誤差の低減やデータを増やしたときの結果に注目!

40

ΔΩ
𝑳𝝂
3𝝓𝒅𝒊𝒇𝒇 =න 𝑑𝑉 1 + 𝑧𝝆 ∙ 𝚿(𝐳)4𝜋4𝜋𝑑𝑧2 𝒆𝒇𝒇
一方、各天体から期待できるニュートリノの数
𝑁𝑃𝑆 = 𝑇𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 න 𝑑Ω𝑃𝑆 න 𝑑𝐸 𝐴𝑒𝑓𝑓

𝑳𝝂
4𝜋𝑑𝑧2

から、稀で明るい点源からL𝜈 に対して制限がかかり始める41

次の建設の準備が進行中42

Yes! we are building even a larger detector “IceCube-Gen2”
新型光検出器D-Egg

スーパーカミオカンデのタンク

IceCube光検出器DOM
東京スカイツリー43

紫外線透過耐圧ガラス (岡本硝子)
デザイン (日本海洋事業)

紫外線透過光結合ゲル(信越シリコン)
8’’ PMT R5912-100(浜松ホトニクス)
高圧電源ボード(カイズワークス)
エレキボード(プラックス)
磁場シールド(日立金属)

LEDリング体積が大きくなることで角度分解能が向上

44期待されるニュートリノ点源に対する感度45

• 透過性の高いニュートリノは、光で見えない遠方宇宙の高エネルギー放射宇宙を見ることができる• 1987年の超新星爆発以来25年間も観測されてなかった太陽系の外からくる宇宙ニュートリノの観測が2012年から進んでいる• さまざまな望遠鏡と連携して観測を行うマルチメッセンジャー天文学によって高エネルギー放射天体の姿を明らかにする• 確立した検出原理を発展させた次世代ニュートリノ望遠鏡計画IceCube-Gen2が進んでいる• 日本グループは、物理解析、及び、検出器で最も重要な基幹部品である光検出器の開発の中心としても活躍中http://icecube.wisc.edu