様式８

令和 5 年度（2023） 共同利用研究・研究成果報告書
研究課題名 和文：超新星背景ニュートリノの研究
英文：Study of Supernova Relic Neutrinos
研究代表者

岡山大学環境生命自然科学学域 小汐由介

参加研究者

岡山大学・日野陽太、原田将之、酒井聖矢、中西史美、多田智昭、田野智大、東大宇宙線研・中畑雅行、関谷洋之、竹田敦、池田一得、矢野孝臣、東大理学部・中島康博、宮城教育大学・福田善之、神戸大学・竹内康雄、鈴木州、東京大学数物連携
宇宙研究機構・Mark Vagins、Alexander Goldsack, 横浜国立大学・南野彰宏、Lluis
Marti Magro、Univ. Autonoma Madrid・Luis Labarga、Nataly Ospina、Univ. California
Irvine ・ Hank Sobel 、 Michael Smy, Shunichi Mine, Jeff Griskevich 、 Volodymyr
Takhistov、清華大学・Shaomin Chen、Benda Xu

研究成果概要研究目的：太陽の 8 倍以上の質量を持つ恒星はその一生の最後に超新星爆発を起こす。その際、爆発の 99％以上のエネルギーはニュートリノによって宇宙空間にばらまかれる。1987 年
2 月に人類史上初めてそのニュートリノが検出された。宇宙に最初の星ができて以来、超新星爆発は約 1 秒に 1 回の頻度で絶えず起きており、その都度ニュートリノや重元素物質が宇宙にまき散らされている。このことは現在の宇宙には超新星爆発背景ニュートリノ（Supernova Relic Neutrinos, SRN）が大量に存在することを示唆している。一方、ニュートリノは超新星の芯から外に直接出ることができる唯一の素粒子であるので、超新星爆発のメカニズムや中性子星・ブラックホール形成過程を「見る」唯一の手段であると期待されている。本研究は超新星ニュートリノの観測を目的とする。
研究方法：この研究を SK に硫酸ガドリニウムを溶かした SK-Gd 実験で行う。同時に、将来に向けた 200 トンタンクを使った検出器(EGADS)での検証実験を継続する。ガドリニウムは反電子ニュートリノと水中の陽子との反応により発生する中性子の検出感度が高く、ガドリニウムの SK への導入により SRN 信号と雑音事象との識別能力が飛躍的に高まる。本研究では、SK-Gd 実験で世界初の SRN の観測を目指す。
2023 年度の研究成果：2020 年夏に硫酸ガドリニウムを 13 トン（ガドリニウムの質量濃度で0.01%に相当）SK に導入し、SK-Gd 実験が始まった。このフェーズ約２年分のデータを用いた超新星背景ニュートリノの探索を行った。その結果、世界初の発見には至らなかったが、SK純水期の５分の１のデータで、同程度の感度を持つことを示し、フラックス上限値を与えた。
（次ページの図）この結果は Astrophysical Journal Letters 誌に掲載された[2]。また同じデータを用いた主要な背景事象である大気ニュートリノ中性カレント準弾性散乱反応（図１のマゼンダ）の断面積を測定して論文で発表した[1]。
2022 年の夏には硫酸ガドリニウム 26 トンを追加で SK に導入した（ガドリニウムの質量濃度でトータル 0.03%）。順調にデータを取得しており、鋭意、データ解析を進めている。

以上の成果は、国内外での研究会や、日本物理学会などで報告された。

整理番号A08esents the number
ion criteria except

only signal energy
nts, spallation 9Li,
ed by Abe et al.
above 15.49 MeV,d reactor neutrinonts, such as nonevents, are newly
based on the same
respectively.

The Astrophysical Journal Letters, 951:L27 (8pp), 2023 July 10

Harada et al.

pplied, 16 events
552.2 day data. Inof Erec, of widths
nd 23.5–29.5 MeV
egion is separated
he Erec spectrum ofmber of events duevalue) are evaluatedseudo experiments
pected backgroundatter. The obtainedthat no signiﬁcantd background since
25.8%.
signal excess overdence level (C.L.;
riments using theatistical uncertaind events with their
he ﬂux upper limit
uming there is nofor each bin isE.

(2 )n of IBD for eachtarget in the 22.5
the live time ofd signal efﬁciency
criteria are appliedh at each bin. The
ec + 1.8 MeV. Theion in Strumia &background-onlyusing the number
istical uncertainty.
y by replacing N90

Figure 3. Upper limits on the n̄e ﬂux, calculated by Equation (2). The red lines show the observed (solid) and expected (dotted–dashed) 90% C.L. upper limit for SKFigure 2. Reconstructed energy spectra of the observed dataandbluethe
VI. Thelinesexpectedshow the observed (solid) and expected (dotted–dashed) 90% C.L. upper limit for SK-IV Abe et al. (2021). The green line represents the 90% C.L.
observed upper limit
placed by観測結果から導出したニュートリノフ
KamLAND Abe et al. (2022c). The gray-shaded region represents the range of the modern theoretical expectation. The expectation
今回観測されたデータと予測される背景backgroundafter data reductions with a linear (top) and a logarithmic(bottom)
drawn in the ﬁgure includes DSNB ﬂux models (Hartmann & Woosley 1997; Malaney 1997; Kaplinghat et al. 2000; Ando et al. 2003; Horiuchi et al. 2009;
scale for the vertical axis. These include the signal energy region
the sideLunardini and2009; Galaiset al. 2010; Nakazato et al. 2015; Horiuchi et al. 2018, 2021; Kresse et al. 2021; Tabrizi & Horiuchi 2021; Ekanger et al. 2022). Ando+03
model was updated in Ando (2005).
band 事象のエネルギー分布。赤点は超新星背景
region above 29.5 MeV. Each color-ﬁlled histogram showsthe expected ラックスの上限値。今回の結果が SK-IV
backgrounds. The error bars in the data points represent the statisticalTable 2
Summary Table of Upper Limits, Sensitivity, and Optimistic and Pessimistic DSNB Expectation from Kaplinghat et al. (2000) and Nakazato et al. (2015),
uncertainty
estimated by taking the square root of the number of observed （純水期）と同等の感度を持つことを示
ニュートリノの予測。
Respectivelyevents. These background histograms are stacked on the other histograms. The Observed upper limit
Expected sensitivity
Neutrino EnergyAveraged theoretical expectation of DSNB
hatched areas represent the total systematic uncertainty for eachbin. The size of す。
(cm−2 s−1 MeV−1)(cm−2 s−1 MeV−1)(cm−2 s−1 MeV−1)(MeV)
uncertainty for each background is mentioned in the main text.
The red dotted– SK-IV
SK-VI
SK-IV
SK-VI
dashed line shows the DSNB expectation from 9.29–11.29
the Horiuchi+09 37.30
34.07
44.35
50.78
0.20–2.40
18.43
11.35
15.12
0.13–1.66
model (Horiuchi et al. 2009), which is drawn separately11.29–13.29
from the stacked 20.43発表論文（2023 年度）
13.29–17.29
4.77
3.76
2.05
2.71
0.67–0.94
histogram of the estimated backgrounds.
17.29–25.29
0.17
0.90
0.21
0.50
0.02–0.30
25.29–31.29

0.04

0.33

0.11

<0.01–0.07

0.33[1] S. Sakai et.Tableal.,
Measurement
theneutrino-oxygen
neutral-current
1et al. 2000), andof
the mostpessimistic
one is Nakazato+15
threshold.
Hence we can search in a lower-energy region,
Summary of Observed Events, Expected Background Events,
and p-value
forwith the assumption of normal mass
(Nakazatoet al. 2015)
which will increase signal acceptance for DSNB, solar
quasielastic crosssectionusing
atmosphericneutrinos
intheSK-Gd
experiment,
ordering in whole energy ranges, respectively. The upper limit
antineutrinos, andlight-dark-matter searches.
Each Erec Bin
Phys. Rev. D 109, L011101 (2023) of the ﬂux for each bin is summarized in Table 2.
7. Conclusions
Expected
p-value
Erec (MeV)
6. Future Prospects[2] M.HaradaObserved
et al., Search
for astrophysicalelectron antineutrinos
inastrophysicalSupern̄ , using the SK-VI data
We searched forbelow 29.5 MeV for E between 2020 August and 2022 May,
the SK-Gd experiment was upgraded to the
7.5–9.5
7.73 ± 2.54 In 2022 June,0.798
Kamiokande with5 0.01wt% gadolinium-loadedwater,
Letters,
with Journal
0.01% Gd mass concentration.
This is an independent data
SK-VII phase, in which
additionalThe
Gd wasAstrophysicalintroduced into the9.5–11.55
4.14 ± 1.23 detector, providing
0.398
set from the previous SK-IV search (Abe et al. 2021), using thea mass concentration of approximately
951,
L27(2023)
datatakenwithpurewater.
Inthisanalysis, a brand-new
0.03%.
In
thisphase,
neutrontagging
efﬁciency
isexpected
to11.5–15.5
3
2.13 ± 0.59
0.359
erec

be over 55% while having comparable εwith SK-VI,

mis
15.5–23.5
20.98 ± 0.35 leading to 1.5 times
0.258
higher sensitivity for the n̄e in the case of
the same live time
as for SK-VI. Furthermore, more efﬁcient
23.5–29.5
10.98
±0.41
0.597
国際会議発表（2023 年度）

noise reduction by neutron tagging will enable a lower energy

method for tagging neutrons using the signal of neutron capture
on Gd is utilized so that the efﬁciency of neutron tagging istwice as high while keeping a low-misidentiﬁcation probability.
No signiﬁcant excess above the expected backgrounds at

6Note. Errors for the expected background represent only the systematic(1) ICRC 2023, Nagoya, Japan, July 28 - August 3, 2023, Y. Hino, Status and prospect
uncertainty.

of the SK-Gd project. 他４件
FigureNuFact
3 shows 2023,
the upper
limit of Korea,
the n̄e ﬂuxAugust
extracted20in this(2)Seoul,- 28, 2023, L.Marti, WIT: low energy andsearch with the range of expectations of modern DSNB models.
supernova neutrinos for Super-Kamiokande and SK-Gd phase.
The most optimistic expectation is Kaplinghat+00 (Kaplinghat(3) TAUP 2023, Wienna, Austria, August 28 – September 1, H. Sekiya, Detection ofsupernovae, solar and geo-neutrinos. 他６件
5
国内会議発表（2023 年度）(4) 原田将之、0.03%Gd 質量濃度の SK-Gd 実験における超新星背景ニュートリノ探索の展望、
第 10 回超新星ニュートリノ研究会、岡山大学、2024 年 2 月 29-3 月 1 日(5) 酒井聖矢、SK-Gd 実験における大気ニュートリノ-酸素原子核中性カレント準弾性散乱反応断面積の測定および核子-原子核反応モデルの研究、第 10 回超新星ニュートリノ研究会、岡山大学、2024 年 2 月 29-3 月 1 日(6) 日本物理学会・年次大会・2024 年 3 月・オンライン・一般講演７件(7) 日本物理学会・秋季大会・2023 年 9 月・東北大学・一般講演５件