博士論文審査報告書

早稲田大学大学院 先進理工学研究科

博士論文審査報告書

論 文 題 目

The theoretical prediction of

neutrino emissions from the core-collapse supernovae and their progenitors

超新星爆発及びその親星における ニュートリノ放出の理論予想

申 請 者

Chinami KATO 加藤 ちなみ

Department of Pure and Applied Physics, Research on Theoretical Astrophysics

2019 年 2 月

1

現 在 稼 働 中 の ニ ュ ー ト リ ノ 検 出 器 S up e r- K a m i o k a nd e の 前 身 で あ る K a m i o k a n d e と ア メ リ カ の I M B が 、我 々 の 住 む 天 の 川 銀 河 の 伴 銀 河 の 一 つ で あ る 大 マ ゼ ラ ン 雲 で 起 こ っ た 超 新 星 S N 1 9 8 7 A か ら 飛 来 し た ニ ュ ー ト リ ノ を

1 9 87 年 に 約 2 0 個 検 出 す る こ と に よ っ て 幕 を 開 け た ニ ュ ー ト リ ノ 天 文 学 は 、

今 ま さ に 大 き く 開 花 し つ つ あ る 。 先 述 の S u p e r- K a m i o k a nd e に 加 え 、世 界 で は 複 数 の ニ ュ ー ト リ ノ 検 出 器 が ネ ッ ト ワ ー ク を 組 み 、 超 新 星 ニ ュ ー ト リ ノ を 含 む 様 々 な 宇 宙 起 源 の ニ ュ ー ト リ ノ を 検 出 す べ く 日 々 稼 働 を 続 け て い る 。

そ れ ら が 超 新 星 ニ ュ ー ト リ ノ を 観 測 す る 仕 組 み も 多 様 化 し て い る 。 上 で 述 べ た K am i o k a n d e、I M B 及 び S u p e r- K a m i o k a n d e は い ず れ も 水 チ ェ レ ン コ フ 型 検 出 器 で 、 主 と し て 電 子 型 反 ニ ュ ー ト リ ノ を 検 出 し て い る 。 現 在 S up e r- K a m i o k a n d e に は ガ ド リ ニ ウ ム が 添 加 さ れ 、 荷 電 カ レ ン ト に よ る 反 応 で 同 時 に 放 出 さ れ る 中 性 子 を 検 出 す る こ と に よ り 、 信 号 の 弁 別 性 を 格 段 に あ げ る 作 業 が 進 め ら れ て い る 。 ま た 、S up e r- K am i o k a nd e の 後 継 検 出 器 で あ る H y p e r- K a m i o k a n d e 計 画 も 進 ん で い る 。 一 方 、K a m L A N D に 代 表 さ れ る 液 体 シ ン チ レ ー シ ョ ン 型 検 出 器 で は 、 荷 電 粒 子 が 出 す シ ン チ レ ー シ ョ ン 光 お よ び 荷 電 粒 子 の 対 消 滅 に 伴 う γ 線 を 観 測 し て お り 、 水 チ ェ レ ン コ フ 型 検 出 器 に 比 べ 、検 出 可 能 な ニ ュ ー ト リ ノ の エ ネ ル ギ ー 閾 値 が 低 い の が 特 徴 で あ る 。ま た 、

J U N O の よ う な よ り 大 規 模 の 検 出 器 も 計 画 さ れ て い る 。 最 近 注 目 さ れ て い る

の は 、 液 体 ア ル ゴ ン を 用 い た 電 子 型 ニ ュ ー ト リ ノ の 検 出 で 、 特 に D U N E は 1 0 年 以 内 の 稼 働 が 期 待 さ れ て い る 。 電 子 型 以 外 の ニ ュ ー ト リ ノ に つ い て も 、 様 々 な 検 出 法 が 考 案 さ れ て い る 。 特 筆 す べ き は 、 こ う し た 複 数 の ニ ュ ー ト リ ノ 検 出 器 が S u p e r N o v a E a r l y Wa r n i n g S y s t e m ( S N E W S )に 代 表 さ れ る よ う な ネ ッ ト ワ ー ク を 形 成 し 、次 な る 近 傍 超 新 星 の 出 現 に 備 え て い る こ と で あ る 。

こ う し た 目 覚 ま し い 観 測 体 制 の 整 備 に 比 べ 、 対 象 と な る 天 体 と そ こ か ら の ニ ュ ー ト リ ノ 放 出 に 関 す る 理 論 的 研 究 は 必 ず し も 十 分 で あ っ た と は 言 え な い 。 実 際 、 こ れ ま で の 研 究 で は 原 始 中 性 子 星 か ら の ニ ュ ー ト リ ノ 放 射 の み が 注 目 さ れ て い た が 、 原 始 中 性 子 星 を 形 成 し た の は 超 新 星 爆 発 で あ り 、 そ の 超 新 星 爆 発 を 引 き 起 こ し た の は 大 質 量 星 で あ っ て 、 い ず れ の 段 階 に お い て も ニ ュ ー ト リ ノ は 放 出 さ れ て お り 、 こ れ ら が 将 来 観 測 で き れ ば 、 電 磁 波 で は 透 過 で き な い 大 質 量 星 の 中 心 部 や 超 新 星 爆 発 の メ カ ニ ズ ム に 関 す る 重 要 な 情 報 を 得 る こ と が 可 能 で あ る 。 本 学 位 論 文 は 、 そ う し た こ と を 目 指 し て 行 っ た 筆 者 の 理 論 研 究 の 結 果 が ま と め ら れ て い る 。 よ り 具 体 的 に は 、 本 学 位 論 文 で 筆 者 は 次 の 二 つ の こ と を 調 べ て い る 。 ⑴ 親 星 の 準 静 的 進 化 段 階 か ら 、 コ ア が 重 力 崩 壊 し 核 密 度 で 反 跳 す る ま で の 段 階 で 放 出 さ れ る ニ ュ ー ト リ ノ の 光 度 や ス ペ ク ト ル 、 お よ び そ の 地 上 で の 観 測 可 能 性 。 ⑵ そ の 後 の 衝 撃 波 停 滞 段 階 で の ニ ュ ー ト リ ノ 輸 送 に お け る 核 子 散 乱 に よ る 微 小 な エ ネ ル ギ ー 交 換 が 引 き 起 こ す ニ ュ ー ト リ ノ ス ペ ク ト ル の 熱 化 の 重 要 性 。 本 論 文 は 4 つ の 章 と 2 つ の 補 遺 か ら 構 成 さ れ て い る 。 以 下 、 各 章 の 概 要 と そ の 評 価 を 述 べ る 。

第 1 章 は イ ン ト ロ ダ ク シ ョ ン で 、 ま ず 大 質 量 星 の 準 静 的 進 化 と そ の 後 に 起

2

こ る 重 力 崩 壊 か ら 超 新 星 爆 発 、 さ ら に は 原 始 中 性 子 星 の 形 成 と そ の 冷 却 に 至 る 一 連 の 過 程 が コ ン パ ク ト に ま と め ら れ て い る 。 そ の 後 、 本 論 文 の 主 題 で あ る ニ ュ ー ト リ ノ に つ い て 、 上 記 各 段 階 で ど の よ う な 過 程 に よ り ニ ュ ー ト リ ノ が 放 出 さ れ る と 考 え ら れ て い る か が 述 べ ら れ 、 ニ ュ ー ト リ ノ 観 測 機 器 の 現 状 と 今 後 の 展 望 が ま と め ら れ て い る 。 ま た 、 ニ ュ ー ト リ ノ 振 動 に つ い て も 触 れ ら れ て お り 、 こ の 章 は 大 変 よ い レ ビ ュ ー と な っ て い る 。 第 2 章 以 降 が 筆 者 独 自 の 研 究 成 果 で あ る 。

第 2 章 で は 親 星 段 階 か ら コ ア 反 跳 に 至 る 間 の ニ ュ ー ト リ ノ 放 出 と そ の 検 出 可 能 性 が 議 論 さ れ て い る 。 原 始 中 性 子 星 段 階 に 比 べ 、 こ の 段 階 の ニ ュ ー ト リ ノ は 光 度 、 エ ネ ル ギ ー と も に 低 い た め 、 ベ テ ル ギ ュ ー ス の よ う な 極 め て 近 傍 の 大 質 量 星 の み が 対 象 と な る 。 大 質 量 星 の 進 化 理 論 に よ れ ば 、 重 力 崩 壊 型 超 新 星 を 起 こ す 親 星 に は 、 主 と し て 鉄 か ら な る コ ア を 発 達 さ せ る も の と 、 酸 素 と ネ オ ン か ら な る コ ア が 形 成 さ れ た 段 階 で 重 力 崩 壊 を 起 こ す も の が あ り 、 筆 者 は 特 に こ の 二 つ を こ う し た ニ ュ ー ト リ ノ 観 測 か ら 区 別 す る こ と が 可 能 か ど う か に 着 目 し て い る 。

筆 者 は ま ず 、 こ れ ら 2 種 類 を 含 む 3 つ の 異 な る 質 量 を 持 っ た 親 星 の 進 化 モ デ ル を 用 い 、 そ れ ら の 進 化 経 路 に 沿 っ て ニ ュ ー ト リ ノ 光 度 、 ス ペ ク ト ル の 時 間 発 展 を 計 算 し 、 鉄 コ ア で は 電 子 陽 電 子 対 の 消 滅 が 、 ま た 酸 素 ・ ネ オ ン コ ア で は プ ラ ズ モ ン 崩 壊 が 、 そ れ ぞ れ こ の 段 階 で 最 も 重 要 な 反 応 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 一 方 、 重 力 崩 壊 開 始 後 は ニ ュ ー ト リ ノ 輸 送 を 考 慮 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 い 、 電 子 型 ニ ュ ー ト リ ノ に つ い て は 、 原 子 核 や 自 由 陽 子 の 電 子 捕 獲 に よ っ て こ の 段 階 に 放 出 さ れ た も の が 親 星 段 階 の も の を 凌 駕 す る の に 対 し 、 電 子 型 反 ニ ュ ー ト リ ノ に つ い て は 、 重 力 崩 壊 段 階 に は 主 と し て 原 子 核 の β 崩 壊 に よ り 放 出 さ れ る も の の 、 フ ェ ル ミ 縮 退 の た め 、 親 星 段 階 の 方 が む し ろ 重 要 な 寄 与 を す る こ と を 明 ら か に し て い る 。

次 に 筆 者 は こ れ ら の 結 果 に 基 づ き 、 地 上 で 現 在 稼 働 し て い る か 、 ま た は 近 い 将 来 稼 働 が 期 待 さ れ る ニ ュ ー ト リ ノ 検 出 器 に よ る 観 測 可 能 性 を 議 論 し た 。 そ れ に よ れ ば 、 電 子 型 反 ニ ュ ー ト リ ノ に つ い て は 、 1 k p c 以 内 で あ れ ば H y p e r- K a m i o k a n d eま た は J U N Oに よ り 鉄 コ ア か ら の ニ ュ ー ト リ ノ が 観 測 可 能 で あ る こ と が わ か っ た 。 一 方 、 酸 素 ・ ネ オ ン コ ア か ら の も の は 、 ベ テ ル ギ ュ ー ス の 距 離 で あ っ て も 検 出 は 難 し い こ と が わ か り 、 そ の 意 味 で 両 者 の 区 別 が 可 能 で あ る こ と を 示 し た 。 一 方 、 電 子 型 ニ ュ ー ト リ ノ に つ い て は 、D U N E で あ れ ば 親 星 の 種 類 に よ ら ず 2 0 0 p c 以 内 な ら 観 測 可 能 だ が 、質 量 階 層 に よ る 違 い が 顕 著 な た め 、 そ の プ ロ ー ブ と し て 電 子 型 ニ ュ ー ト リ ノ が 有 用 で あ る こ と を 示 し た 。 こ れ ら の 結 果 は 世 界 で 初 め て の 定 量 的 評 価 で あ り 大 変 重 要 で あ る 。 ま た 、 準 静 的 進 化 段 階 か ら 重 力 崩 壊 段 階 ま で を 無 矛 盾 に 繋 げ て い る こ と も 本 研 究 の 特 徴 で 、 非 常 に 高 く 評 価 で き る も の で あ る 。

第 3 章 で は 、 コ ア 反 跳 後 の 衝 撃 波 停 滞 期 か ら そ の 復 活 期 に 注 目 し 、 コ ア 内 の ニ ュ ー ト リ ノ 輸 送 に お い て 重 要 と な る 核 子 散 乱 に よ る 微 小 な エ ネ ル ギ ー 交

3

換 に よ る ニ ュ ー ト リ ノ ス ペ ク ト ル の 熱 化 を モ ン テ カ ル ロ 法 で 定 量 的 に 調 べ て い る 。 従 来 の 超 新 星 爆 発 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 、 核 子 散 乱 は 等 エ ネ ル ギ ー 散 乱 と 近 似 さ れ る こ と が 多 か っ た 。 こ れ は ニ ュ ー ト リ ノ の エ ネ ル ギ ー が 核 子 の 質 量 に 比 べ て 格 段 に 小 さ い た め 、 散 乱 に お け る 核 子 の 反 跳 が 重 要 で な い と 思 わ れ た た め だ が 、 核 子 散 乱 の 断 面 積 は 他 の 反 応 よ り も 大 き い た め 、 実 は 無 視 で き な い 効 果 を 持 つ 可 能 性 が あ る こ と が 近 年 指 摘 さ れ て き た 。 し か し な が ら 、 こ れ を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 直 接 取 り 入 れ る こ と は 難 し く 、 フ ォ ッ カ ー- プ ラ ン ク 近 似 の よ う な 取 り 扱 い が 行 わ れ て い る が 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お け る エ ネ ル ギ ー 分 解 能 は 通 常 極 め て 粗 い た め 、 そ の 信 頼 性 を 定 量 的 に 評 価 す る 必 要 が あ る 。 本 学 位 論 文 で 筆 者 は 、 そ の た め の 第 一 歩 と し て 、 エ ネ ル ギ ー 分 解 能 に 問 題 が な い モ ン テ カ ル ロ 法 を ニ ュ ー ト リ ノ 輸 送 計 算 に 用 い 、 核 子 散 乱 に よ り ど の 程 度 ス ペ ク ト ル の 熱 化 が 起 こ る か を 詳 し く 調 べ て い る 。

具 体 的 に は 、11 . 2 太 陽 質 量 を 持 つ 親 星 に 対 す る 超 新 星 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 結 果 か ら 密 度 分 布 等 を 抜 き 出 し 、 そ れ を 背 景 と し て ニ ュ ー ト リ ノ の 定 常 分 布 を 計 算 し 、 核 子 に よ る 吸 収 放 出 反 応 、 電 子 に よ る 散 乱 、 電 子 陽 電 子 対 消 滅 や 核 子 制 動 放 射 に よ る ニ ュ ー ト リ ノ 対 生 成 反 応 な ど と の 比 較 を 行 っ た 。 そ の 結 果 、 電 子 型 ニ ュ ー ト リ ノ や 反 ニ ュ ー ト リ ノ で は 、 核 子 に よ る 吸 収 放 出 反 応 が ス ペ ク ト ル の 熱 化 に 最 も 効 く た め 、 核 子 の 反 跳 効 果 は 重 要 で な い こ と が わ か っ た 。 一 方 、 こ う し た 荷 電 カ レ ン ト に よ る 反 応 を し な い 電 子 型 以 外 の ニ ュ ー ト リ ノ の 熱 化 に は 、 こ の 反 跳 効 果 が 最 も 重 要 で あ る こ と が 示 さ れ 、 今 後 こ れ を よ り 正 確 に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 取 り 込 む こ と が 重 要 で あ る と の 示 唆 が 得 ら れ た 。 特 に ス ペ ク ト ル の 熱 化 が 半 径 と と も に ど の よ う に 進 む か が 明 確 に さ れ た の は 本 研 究 が 初 め て で あ り 、 超 新 星 爆 発 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 較 正 す る 上 で 重 要 な 情 報 と し て 高 く 評 価 で き る 。

第 4 章 は 結 論 で 、 本 研 究 で 得 ら れ た 成 果 が 再 度 簡 潔 に ま と め ら れ て い る 。 ま た 2 つ の 補 遺 で は 、 ニ ュ ー ト リ ノ 反 応 率 の 導 出 と 、 モ ン テ カ ル ロ 法 に お け る 実 装 の 工 夫 が 詳 細 に 与 え ら れ て お り 、 こ れ 自 体 も 有 用 な 章 と な っ て い る 。 以 上 述 べ て き た こ と を ま と め る と 、 本 学 位 論 文 で 筆 者 は 、 近 年 の ニ ュ ー ト リ ノ 検 出 技 術 の 目 覚 ま し い 進 歩 を 受 け 、 次 の 近 傍 超 新 星 か ら ニ ュ ー ト リ ノ が 観 測 さ れ る 可 能 性 に 着 目 し 、 そ れ に よ っ て 期 待 さ れ る 天 文 学 お よ び 物 理 学 的 知 見 を 定 量 的 に 明 ら か に し た 。 そ の 成 果 は 独 創 的 で あ る と と も に 、 今 後 ま す ま す 期 待 さ れ る マ ル チ メ ッ セ ン ジ ャ ー 天 文 学 に も 資 す る も の と な っ て い る 。 よ っ て 本 論 文 は 博 士 （ 理 学 ） の 学 位 に ふ さ わ し い も の と 認 め る 。

2 0 1 9 年 2 月 審 査 員

主 査 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 理 学 ） 東 京 大 学 山 田 章 一 早 稲 田 大 学 教 授 理 学 博 士 （ 京 都 大 学 ） 前 田 恵 一 東 京 大 学 准 教 授 理 学 博 士 （ 東 京 大 学 ） 茂 山 俊 和