Solar Flare neutrino for Super Novae Conference

KamLANDによる太陽フレア関連ニュートリノの探索

東北大学ニュートリノ科学研究センター

博士課程前期1年 川田七海

もくじ

太陽フレア

KamLAND検出器

磁気リコネクションモデル

太陽フレア関連ニュートリノ

ニュートリノの検出

太陽フレア関連ニュートリノ流束量の上限値

KamLANDによる探索

解析(予測)

1. 太陽フレアと磁気リコネクションモデル

太陽表面で起こる爆発現象

10

2

~10

₃

sec の間に 10

32

~10

33

_erg

のエネルギーを放出

太陽フレアの発生原理を説明する有力なモデル

太陽磁場中での反平行な磁力線のつなぎ替えにより磁場のエネルギーを解放

X線,γ線の観測が支持(カスプ構造)

図. 磁力線のつなぎ替えによる粒子加速の様子。

矢印は磁力線の移動する向きを示す。

(

_{http://www.isas.jaxa.jp/home/solar/yohkoh/}

)

ν

e

,ν

e,

ν

µ

,ν

µ

の放出を予言

2. 太陽フレアに伴うニュートリノとX線/γ線

p

p,n

N

π

0,

π

±

π

0

π

±

γ

γ

µ

±

ν

µ

(ν

µ

)

e

±

ν

_e

(ν

_e

)

ν

µ

(ν

µ

)

2.22 MeV from

1

H(n,γ)

2

H

>50 MeV from π

0

decay

0.511 MeV from e

+

-e

-

annihilation

X-ray from bremsstauhlung of

accelerated electrons

• 陽子が加速される

• 太陽大気中で原子核と反応しπ粒子生成

• π粒子の崩壊過程でν/X線/γ線を生成

Solar Flares: Gamma Rays

3. 太陽フレアに伴うニュートリノ探索の試み

Homestake実験

C

2

Cl

4

を用いたニュートリノ検出

1991年の太陽フレアに伴う

ニュートリノの観測を示唆

KamiokaNDE実験, SNO実験

これを棄却する結果を報告

KamLANDによるさらなる検証 (本研究)

• 1 ktの液体シンチレータと逆β崩壊で

よりfluenceの小さい領域を探索

• νによる電子散乱の解析で低energy領域含め

Homestakeの主張を完全に棄却する

ID

液体シンチレータ

物理イベント解析

OD

純水

shield, veto

Kamioka Liquid scintillator Anti Neutrino Detector

4. KamLANDにおけるニュートリノの検出

e

+

e

-p

n

p

ν

ν

e

d

γ 511keV

γ 511keV

γ 2.2MeV

Thermalized neutron

(τ 210μsec)

Prompt signal

(positron + annihilation)

Delayed signal

(neutron capture)

逆β崩壊 (Inverse Beta Decay,IBD)

positron-neutronの遅延同時計測

により極低BGを実現

e

+

_-e

-

_{対消滅,中性子捕獲によるγ線}

を液体シンチレータで捉える。

電子散乱 (Electron Scattering,ES)

反電子ニュートリノにのみ感度あり

W

-e

-e

-ν

e

ν

e

Z

0

e

-e

-ν

x

ν

x

現時点ではこちらのみ利用

反電子型以外も検出可能

散乱された電子が液体シンチレータを発光させる

荷電カレント反応は電子ニュートリノのみ

中性カレント反応はすべてのニュートリノが起こしうる

E

threshold

_{= 1.806 MeV}

5. 太陽フレアとニュートリノイベントのコインシデンス

太陽フレアにおける

NASAにより運用されていた衛星 (2002 ~ 2018)

粒子加速機構

エネルギー解放機構

の解明を目的とされた。

太陽から飛来するX線/γ線を高位置分解能で観測した。

HESSI衛星

HESSIのevent listのうち”Intensity”が10

6

_{以上のものを}

太陽フレアとみなし、それらのフレアを観測していた時間を

太陽フレア時間と呼ぶ。

太陽フレア時間とそれ以外の時間でKamLANDで

観測されるν

_e

の個数を比較する。

→ 2013-2015 (第24太陽周期) で

2313 flares / 12.74 days

KamLAND

6. 予測される太陽フレア関連ニュートリノ流測量の上限値

 ( Fluence Upper Limit,UL )

KamLANDによるGRB ν 探索の論文(2015)より、2011.9~2013.6の

ν IBD rateは 0.9 < E

vis

_{< 100 MeVで 2.3 × 10}

-6

_[event/sec]

2013-2015の期間(第24太陽周期)で

KamLAND ν IBD rateは上の値で一定

( N

BG

= 2.3 × 10

-6

[event/sec] × 12.74 [day] )

太陽フレア時間内でも ν IBD rateは

BGとconsistentでexcessなし

( N

observed

_{= N}

_BG

)

を仮定すると、Feldman&Cousinsの方法により

観測された太陽フレア１回あたりの関連 ν の個数

の上限値 ( C.I. 90% ) N

90

は

N

₉₀

_{= 1.48 × 10}

-3

と見積もることができる。

detection efficiency

# of proton in KamLAND

Calculated p-v cross section

⌫

(E

⌫

) =

N

₉₀

N

_target

R

_E

100

vis

prompt

=0.9

dE

0

⌫

(E

⌫

0

)"(E

⌫

0

) (E

⌫

E

⌫

0

)

<latexit sha1_base64="lp1Ujg1Hc6cCxTvu1l+XNuInQWQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="lp1Ujg1Hc6cCxTvu1l+XNuInQWQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="lp1Ujg1Hc6cCxTvu1l+XNuInQWQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="lp1Ujg1Hc6cCxTvu1l+XNuInQWQ=">AAACjnicbVFdaxQxFM2MX3WtutVHX4KLtH1wyRShLrpYlEKfZAXXFjbbIZPJ7IYmmSG5s7AM+Tv+IN/8N2Znx1JbL4R7OOfc3OTerFLSASG/o/je/QcPH+087j3ZffrseX/vxQ9X1paLKS9VaS8y5oSSRkxBghIXlRVMZ0qcZ1dfNvr5SlgnS/Md1pWYa7YwspCcQaDS/k86Wcq0oab2B6fbfDimhWW8+Zo2I+L9JlOrMTC7EOCpNHDZJIT4tDm9bJWVdH7rqWypK/BjMhz5lsh9d+k+dXKh2d8e+4d0xayonFSluUHmQsG16e0179P+gAxJG/guSDowQF1M0v4vmpe81sIAV8y5WUIqmDfMguRK+B6tnagYv2ILMQvQMC3cvGnn6fGbwOS4KG04BnDL3qxomHZurbPg1AyW7ra2If+nzWoo3s8baaoahOHbRkWtMJR4sxycSys4qHUAjFsZ3or5koVlQFhhLwwhuf3lu2B6NBwNk2/vBiefu2nsoFfoNTpACTpGJ+gMTdAU8Wg3Ooo+RB/jvfg4HsefttY46mpeon8iPvsD47vIfg==</latexit>

太陽フレア関連ニュートリノのenergy分布が

Monochromaticであると仮定すると、

SNO (ν

e

-d …)

KamLAND (ν

e

-p)

N

90

0.022

1.48 × 10

-3

N

target

~ 6×10

31

5.96×10

31

σ (E

ν

= 10[MeV])

~ 10

-42

[cm

2

]

~ 10

-41

[cm

2

]

× ~10

-1.2

× ~10

E

_prompt

vis

_{' E}

⌫

0.782 [MeV]

<latexit sha1_base64="pyOtqIWjg62+UYLs3pTmiNtmgY8=">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</latexit><latexit sha1_base64="pyOtqIWjg62+UYLs3pTmiNtmgY8=">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</latexit><latexit sha1_base64="pyOtqIWjg62+UYLs3pTmiNtmgY8=">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</latexit><latexit sha1_base64="pyOtqIWjg62+UYLs3pTmiNtmgY8=">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</latexit>

6. 予測される太陽フレア関連ニュートリノ流測量の上限値

 ( Fluence Upper Limit,UL )

Green関数により右のようなULが得られる

と予測される。

7. まとめ

太陽観測衛星HESSIの観測データとKamLANDでの

ニュートリノ逆β崩壊イベントレートから

第24太陽周期(2013-2025)でKamLANDで太陽フレア

に伴うニュートリノイベント超過を確認できなかった

場合に得られる太陽フレア関連ニュートリノ流束量の

上限値を試算した。

estimated v flux from

solar flare

(by Takeishi,ICRR)

Solar cycle and analysis period

1st choice

23rd solar cycle

analysis period : 2002 ~ 2004

2nd choice

24th solar cycle

analysis period : 2013 ~ 2015

“Precise quasielastic neutrino/nucleon cross-section”

Alessandro Strumia , Francesco Vissani