地球ニュートリノ観測の最新結果 第 6 回超新星ニュートリノ研究会 KamLAND における 渡辺 寛子 東北大 RCNS for the KamLAND Collaboration 東大宇宙線研究所 , 2020 年 1 月 6 日 -7 日
Contents 1. Introduction 2. Latest Results 3. Summary
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地球内部に含まれる放射性物質も、ベータ崩壊を <latexit sha1_base64="(nul)">(nul)</latexit> <latexit sha1_base64="(nul)">(nul)</latexit> <latexit sha1_base64="(nul)">(nul)</latexit> <latexit sha1_base64="(nul)">(nul)</latexit> 地球ニュートリノ数 <latexit sha1_base64="Hx4/iWlDJP8ufVN+C3plaw4I4NE=">ACDHicbVC7SgNBFJ2NrxhfUtFBoMgBMJuLQM2lgmYB6QjWF2cpMmZ1dZmaVsKS0sPFXbCwiYusH2PkN/oSzSQpNPDBwOdc7tzjhZwpbdtfVmpeWV1Lb2e2djc2t7J7u7VBJClUa8EA2PKAMwFVzTSHRiB+B6Huje4Svz6HUjFAnGjhyG0fNITrMso0UZqZ3OuR2TsimjUBpzHIXYl6/U1kTK4x3Ab50f5JGUX7AnwInFmJFc6HFe+H47G5Xb20+0ENPJBaMqJUk3HDnUrJlIzymGUcSMFIaED0oOmoYL4oFrx5JgRPjFKB3cDaZ7QeKL+noiJr9TQ90zSJ7qv5r1E/M9rRrp70YqZCMNgk4XdSOdYCTZnCHSaCaDw0hVDLzV0z7RBKqTX8ZU4Izf/IiqRULzlmhWDFtXKIp0ugAHaNT5KBzVELXqIyqiKJH9IzG6NV6sl6sN+t9Gk1Zs5l9AfWxw/Etp5/</latexit> 術が必要 して反電子ニュートリノを放出する。 ウラン、トリウム、カリウムなどは崩壊によってエネルギーを生成し、反電子 ニュートリノも放出するので、反ニュートリノ流量から熱生成量がわかる。 地球ニュートリノ 地球内放射性物質の崩壊によって放出される反ニュートリノ カムランドは、ウラン、トリウムからの反電子ニュートリノに感度がある。 2005年には、地球反ニュートリノを観測できることを実証 ‣ 地球ニュートリノとは 1/19 β 崩壊 ν e 4 . 1 × 10 6 / cm 2 / sec ¯ 238 U → 206 Pb + 8 α + 6e − + 6¯ 238 U ν e + 51 . 7 MeV 反ニュートリノ検出器 232 Th → 208 Pb + 6 α + 4e − + 4¯ 232 Th ν e + 42 . 7 MeV ( 例 : KamLAND) 40 K → 40 Ca + e − + ¯ ν e + 1 . 311 MeV (89 . 28%) Th Th エネルギー閾値 1.8 MeV Th Th 逆 β 崩壊 Th Th 238 U series ν e + p → e + + n Number of anti-neutrinos per MeV per parent Number of anti-neutrinos per MeV per parent Th Th Th Th 10 1 10 1 ¯ 238 U series 232 Th series U U 232 Th series 40 K U U * 現在 U と Th 起源の地球ニュートリノ Th 40 K U 10 0 10 0 Th Th のみ観測可能 Th Th Th Th * 40 K 地球ニュートリノの観測には新技 10 -1 10 -1 Th Th Th Th Th Th U U 10 -2 10 -2 0.5 0.5 1 1 1.5 1.5 2 2 2.5 2.5 3 3 3.5 3.5 Anti-neutrino energy, E ν (MeV) Anti-neutrino energy, E ν (MeV) ∝ 量 , 放射化熱量 Th U Th Th
マントル対流 プレート運動 地球活動の謎 山脈形成 火山の噴火 地磁気 地震 ‣ \ ‣ 地球ニュートリノ観測目的 2/19 * 地球活動のエネルギー源、エネルギー量は？ * マントルはどのように対流しているのか？一層 or 複数対流 ? * 地球磁場の生成・維持の起源は？ → 地熱の理解は重要な課題
‣ KamLAND Collaboration 3/19 * Institutions : August 2019 @Kyoto 5 from Japan 8 from US 1 from Europe * ~50 collaborators
‣ Site & Detector 4/19 KamLAND Kam ioka L iquid Scintillator A nti- N eutrino D etector (operated since 2002) Kamioka Mine cosmic ray neutrino Kashiwazaki 159km ( 125 µ thickness) Shika φ 13m balloon 88km 1000m depth Wakasa 146~192km Hamaoka 180km 1,000t Liquid Scintillator 200km φ 18m stainless tank * Dodecane (80%) Pseudocumene (20%) PPO (1.36 g/l) : reactor * extremely low impurily ( 238 U:3.5 × 10 -18 g/g, 232 Th:5.2 × 10 -17 g/g) 1,325 17inch + 554 20inch PMTs Water Cherenkov Outer Detector * Photo coverage 34% * Muon veto
性質の理解 ニュートリノの ニュートリノの応用 ‣ 反ニュートリノ観測 5/19 逆 β 崩壊 10 Events/10keV Simulation 9 γ (0.511MeV) e - Reactor ¯ 8 ν e prompt P e + 7 γ (0.511MeV) ν e no-oscillation 6 n Δ T=200µsec oscillation 5 d 4 n thermal diffusion 3 P delayed Geo ¯ 2 ν e γ (2.2MeV) 1 0 b 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 8 Radiogenic heat production E [MeV] KamLAND Borexino from 238 U and 232 Th (TW) 60 p ν e flux ( × 106 cm ¬2 s ¬1 ) Survival Probability 0.8 6 0.6 40 4 0.4 20 0.2 2 3- � best-fit oscillation Data - BG - Geo � e ν 0 Mantle 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0 L /E (km/MeV) Kamioka Gran Sasso 0 � e - ニュートリノ振動の形跡の観測 - 放射化熱の寄与の直接測定 - 振動パラメターの精密測定
各領域からの寄与 ５０％ 検出器近傍の構造の理解が重要 各パートからの寄与 ‣ 神岡における地球ニュートリノフラックス 6/19 Distance and Cumulative Flux 実際にどのあたりを見ているか × 10 6 × 10 6 × 10 6 × 10 6 Total sediment 100 100 100 半径ごとの積算フラックス crust こんなイメージ 4 4 4 4 mantle ＜５００ km total Cumulative flux (1/cm 2 /sec) Cumulative flux (1/cm 2 /sec) Crust 80 80 80 Percentage of total (%) Percentage of total (%) Percentage of total (%) 3 3 3 3 地殻 : 70% 60 60 60 2 2 2 2 40 40 40 マントル : 27% Mantle 1 1 1 1 20 20 20 核 : 0% Sediment 0 0 0 0 0 0 0 Sediment etc. : 3% 10 0 10 0 10 0 10 0 10 1 10 1 10 1 10 1 10 2 10 2 10 2 10 2 10 3 10 3 10 3 10 3 10 4 10 4 10 4 10 4 Distance from KamLAND (km) Distance from KamLAND (km) neutrino oscillation • 半分が半径 から • が半径 から - 50%: < 500km • が神岡鉱山から - 25%: < 50km - 1~2%: 神岡 • がマントルから ~500 km ~50km
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‣ Data-set & Reactor Neutrinos 7/19 ~Apr. 15, 2018 Reactor Neutrino Flux @Kamioka March 2011 Earthquake Period 1 Period 2 Period 3 reactor neutrino 2016 preliminary low-reactor period geo-neutrino all Japanese reactor-off period +500 days of low-reactor phase from 2016 data-set Preliminary Preliminary PRD 88, 033001 (2013) 2016 data-set : 3901 days 2019 data-set : 4397 days 2013 data-set : 2991 days 6.39 × 10 32 proton-year 7.20 × 10 32 proton-year 4.90 × 10 32 proton-year Period 1 : 1485.62 days Period 2 : 1151.47 days +500 days Period 3 : 1259.8 days Period 3 : 1759.85 days
‣ Energy Spectrum (0.9-2.6 MeV) 8/19 2019 Preliminary Result Efficiency (%) model prediction : Enomoto et al. EPSL 258, 147 (2007) 100 80 60 Selection efficiency Livetime : 4397 days 60 Data - BG - best-fit reactor Reference geo ν ν e e U contribution 40 Th contribution Candidate : 1167 ev 20 0 Background Summary KamLAND data Best-fit reactor ν 180 e Accidental 9 Li 4.4 ± 0.1 160 Events / 0.2MeV 140 Accidental 121.9 ± 0.1 120 Fast neutron < 4.1 100 80 13 16 C( , n) O α 13 C( α , n) 16 O 211.6 ± 23.3 60 Best-fit geo ν e Reactor ν e 629.0 ± 34.4 40 Best-fit reactor + BG ν e Preliminary + best-fit geo ν 20 e Total 966.9 ± 41.8 0 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 E (MeV) p
‣ Energy Spectrum (0.9-2.6 MeV), Low Reactor Phase 9/19 e U contribution 15 Livetime : 1760 days Th contribution Data - BG - best-fit reactor ν e 10 Reference geo ν e Candidate : 110 ev 5 0 Preliminary 20 Geo-neutrino / Background KamLAND data Best-fit reactor ν Events / 0.1MeV e = 66.3 ev / 50.3 ev ~ 1.3 Accidental 13 16 15 C( , n) O α Best-fit geo ν e We clearly measured geo- Best-fit reactor + BG ν e + best-fit geo ν e 10 neutrino spectrum. → better understanding of U, Th 5 each contribution 0 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 E (MeV) p best-fit : Period 3 analysis
‣ Energy Spectrum, U and Th Geo-neutrino Contributions 10/19 Th/U Fixed (3.9) ‣ Background subtracted data • backgrounds : all data best-fit Data - BG - all data best-fit reactor 40 ν e • weighted average by each period’s Th geo ν Preliminary e Events / 0.1MeV livetime U geo ν e ‣ U ・ Th contributions 30 • all data best-fit with Th/U fixed analysis 20 Good agreement 10 0 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 E (MeV) p
‣ Rate + Shape + Time Analysis (1) 11/19 N U vs N Th Ratio Fixed 150 (a) Ratio Free N U N Th Preliminary 68.3% 15 15 (b) (c) Preliminary Preliminary 95.4% 99.7% 100 earth model prediction 10 10 3 3 σ σ EPSL 258, 147 (2007) 2 2 Th χ χ ∆ ∆ N 5 5 2 2 σ σ 50 1 1 σ σ 0 0 0 100 200 300 0 50 100 150 N N U Th 0 0 100 200 300 N U Flux [ × 10 5 cm -2 s -1 ] 0 signal [event] [TNU] rejection best-fit model ratio free U 123.3 +41.2/-39.1 23.3 +7.8/-7.4 17.9 +6.0/-5.7 22.0 3.51 σ Th 41.6 +24.6/-24.7 8.1 +4.8/-4.8 20.0 +11.9/-11.9 18.6 1.68 σ
‣ Rate + Shape + Time Analysis (2) 12/19 N U + N Th 400 Preliminary Preliminary (d) (a) b 8 σ earth model prediction 68.3% Ratio Fixed 60 EPSL 258, 147 (2007) Ratio Free 95.4% 300 99.7% Th 40 + N 2 6 σ χ 200 ∆ U N 20 4 100 σ 2 σ 0 0 0 100 200 300 400 1 0.5 0 0.5 1 − − N + N (N - N ) / (N + N ) U Th Th Th U U best-fit (N U , N Th ) = (122, 42) N U +N Th = 164 Flux [ × 10 6 cm -2 s -1 ] 0 signal [event] [TNU] rejection ratio fixed best-fit model U+Th 168.8 +26.3/-26.5 (15.6%) 32.1 +5.0/-5.0 3.6 +0.6/-0.6 4.1 8.14 σ
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