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C01超新星背景ニュートリノの高感度観測で せまる宇宙星形成の歴史 東京大学宇宙線研究所 関谷洋之 2020.6.3 新学術「地下宇宙」領域研究会 2020.6.3 ugap2020 1 研究代表者 関谷洋之 東京大学 統括及び水システム高性能化 研究分担者 竹内康雄 神戸大学 水システム低放射能化、ラドン測定 伊藤慎太郎 岡山大学 ガドリニウム高濃度・低放射能化 鈴木良一 産業技術総合研究所 エネルギー較正 高久雄一 環境科学技術研究所 ガドリニウム定量分析 公募研究 坂口綾 筑波大学 高マトリクス試料中の極微量放射性核種測定法確立

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C01超新星背景ニュートリノの高感度観測でせまる宇宙星形成の歴史

東京大学宇宙線研究所 関谷洋之2020.6.3

新学術「地下宇宙」領域研究会2020.6.3 ugap2020 1

研究代表者 関谷洋之 東京大学 統括及び水システム高性能化研究分担者 竹内康雄 神戸大学 水システム低放射能化、ラドン測定

伊藤慎太郎 岡山大学 ガドリニウム高濃度・低放射能化鈴木良一 産業技術総合研究所 エネルギー較正高久雄一 環境科学技術研究所 ガドリニウム定量分析

公募研究 坂口綾 筑波大学 高マトリクス試料中の極微量放射性核種測定法確立

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Super-Kamiokande V• 32kton ring imaging pure water Cherenkov detector for SNe

• 11129 50cm PMTs for Inner detector

• 1km (2700 mwe) underground in Kamioka• Most sensitive to SN through inverse beta decay• Since Jan 29, 2019, SK-V has been operated

• After the tank refurbishment work for coming Gd-loading

2

SK-V2019

SK-V

2020.6.3 ugap2020

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SK-V: The lowest BG phase• Cleaning in 2018

• Tuning the water flow in 2019• Water convection is successfully suppressed

Vertex distributions

SK-IVSK-V

SK-IVSK-V

Solar angle distributionSK-IV SK-V

preliminary

2020.6.3 ugap2020 3

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SK-Gd ProjectPhysic targets• Precursor of nearby supernova by Si-burning neutrinos• Improve pointing accuracy for galactic supernova• First observation of Supernova Relic Neutrinos• Others

• Reduce proton decay background• Neutrino/anti-neutrino discrimination

(For T2K and atmospheric nuʼs analyses)• Reactor neutrinos

2020.6.3 ugap2020 4

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SK-Gd project

• Loading Gd to SK• To significantly enhance detection

capability of neutrons from �̅�𝜐 interactions • 0.02% Gd2(SO4)3 concentration in 2020.

• About 50% of neutron would be captured by Gd, enhancing neutron tagging efficiency by 2-3 times.

• Planned gradual increasement of Gd • Final target: 90% of neutron tagging• Aiming at 70% with this Kakenhi

5

cross section 48.89kb

8MeV

2.2MeV γ

2020.6.3 ugap2020

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Diffused Supernova Neutrino Backgrounds Supernova Relic Neutrino

• Neutrinos produced from the past SN bursts and diffused in the current universe.

• ~ a few SN explosions every second → O(1018) SNe so far in this universe

• Can study history of SN bursts with neutrinos

62020.6.3 ugap2020

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DSNB signal in SK• Inverse beta decay channel

7

Astrophys. J. 804, 75 (2015)

• Super-K holds the current best limits for the DSNB flux• Sensitivity limited by backgrounds

However, only one order magnitude above theoretical predictions.

• Should be within Super-Kʼs reach, once we were able to reduce background!

2020.6.3 ugap2020

Neutron tagging!

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Major backgroundsafter n-tagged

8Total energy MeV

even

ts/y

ear/

1.5M

eV

Atmospheric ν background

νe CCνµ CC

NC

Among these,atmospheric νʼs NC events are the most problematic BG

2020.6.3 ugap2020

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Neutrino calibration source: T2K

• Large part of beam energy spectrum overlaps with atmospheric neutrinos

9

T2K Run 1-9 Phys. Rev. D 100, 112009 (2019)

𝜈𝜈 �𝜈𝜈mode mode

𝜈𝜈 �𝜈𝜈

Measured cross-sections

• Still large uncertainty:• due to small statistics • ~30% systematic error for NCQE BG

• More data will come

Control sample of NCQE interaction

• NCQE cross sections has been measured by T2K for the first time.

2020.6.3 ugap2020

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Development of NCQE cut w/ T2K data

10

• Improved vertex resolution w/Gd will enable topology cuts.• Further background reduction w/ event topology

• Neutron from NQCE interaction should be more energetic

DSNB

Atmospheric NCQE

d— nGdσ~43cm

— nHσ~85cm

X(rec) - X(true) [cm]

2020.6.3 ugap2020

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DSNB sensitivity• Assuming neutron tagging efficiency increased to >70% in 2022

Tν ~6MeVcase

2020.6.3 ugap2020 11

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Major activities since ugap2019 meeting

2020.6.3 ugap2020 12

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13

Validation of SK-Gd system with non-Gd water• Stagnated water is

good for Rn• No difference in

transparency between SK and SK-Gd water

Gradual dropping

DT

SK-Gd water system

2020.6.3 ugap2020

SK ultra pure water system

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Modifications on piping in the tank

• Enhancing OD top piping • By swapping the main branch of ID-T(150A) and that of OD-T (65A)

• Putting diffuser caps on water outlets by RTV

14

Done during Feb 12- Feb 25For better water flow control and lower BG in 120t/h recirculation of SK-Gd

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The water flow control

15

Simulation of Gd-loading

• Nice temperature gradient• Decrease of the return

water resistivityNo mixture of supply water

→Laminar flow

Increased ID flow

Recirculationin SK-IV mode

Convection

13.32℃

Decreased ID-T flow

13.55℃

OD-B Ret→Sup

13.70℃13.80℃

13.82℃

13.50℃

Decreased ID-TIncreased OD-T

Decreased OD-SBIncreased ID-B

SupplyfromOD-SB& OD-B

Supplyfrom ID-B,OD-SB& OD-B

Simulation of Gd-loading

Gd-loading simulation is successful!Also it shows the modifications were successful!

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Preparation of Gd detail→『極低放射能研究会』

• Getting 14 tons of “uniform quality Gd” is difficult.• Getting “Uniform feedstock quality” is almost impossible! →坂口さん

• 238U,232Th,40K are not only the targets.• Chemical process::broken equilibrium• 228Ra, 228Ac• 235U, 231Pa,227Ac• 176Lu• 138La,134Cs,137Cs,…

• Not only RIs• Ce, Eu,… wavelength shifter

→Evaluation methods themselves must be developed• Chemical pretreatment: separation, extraction, concentration…• Ultra sensitive Ge and ICP-MS are indispensable.→高久さん、伊藤さん、市村さん、坂口さん

2020.6.3 ugap2020 16

30

30

Our Requirement

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222Rn: Gd水溶液中測定+膜脱気の開発(竹内さん)

2020.6.3 ugap2020 17

目的: 感度 ~0.5 mBq/m3のGd水中222Rn 測定に対応した、「80Lラドン検出器+中空糸膜モジュール」を開発し、SK-Gdの給水モニター、XENONnT nVeto中Rnモニターに応用する。(D01+C01)

進捗: 脱気膜モジュールのキャップ部分をステンレス化し、ステンレス配管部分との間の水漏れの可能性を無くした。(従来はRTネジ)

予定: 更にハウジング部分もステンレス化した脱気膜モジュールを試作し、BGレベルの確認を行う。

従来型の脱気膜モジュール ステンレスキャップの脱気膜モジュール

ハウジング

RTネジ

TIG溶接

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エネルギー較正:電子加速システム(鈴木さん)

2020.6.3 ugap2020 18

電子入射器

Cバンド80cm加速管加速ゲイン~10 MeV

軌道分離マグネット

折り返しマグネット

偏向マグネット

軌道補正マグネット

マイクロ波源Cバンド2MWクライストロン

パルスレーザー光源

真空槽

初段加速用加速空洞

1~20MeV

電子入射器+初段加速部の開発今年度加速実験の目標: 250-300 keV 主加速管では3MeV程度

電子入射器 紫外光照射による光電効果での電子発生部を設計今後試作し静電加速で 150~200 keVの電子を発生する

初段加速空洞 特性評価を実施、RF加速で数十~100 keV 程度加速が見込めることを確認

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T1 modified plan; Quick recovery from COVID-19

Dissolving

2020

AJ1020for FR3

Convection

Recirculationw/ SK-Gd FR3

Tank open

Available for T2K physics run

Making

Calibrations

Water fillingWater recirculation w/ SK

AJ1020for dissolving

Full Stopping Making

T2K Physics run

2021

w/ SK-Gd FR2+3

2020.6.3 ugap2020 19

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Water system & Gd are ready to go• 14 tons of ultrapure Gd2(SO4)3 8H2O are prepared.

2020.6.3 ugap2020 20

• These Gd will be dissolved in July!

Dissolving system

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Extra slides

2020.6.3 ugap2020 21

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Pre-supernova signals• Precursor signal from Si-burning is

detectable for SK-Gd• Pre-SNʼs ν energy is lower than SNʼs• Gd loading is a requirement for SK

2020.6.3 ugap2020 22

The Astrophysical Journal, 885:133, 2019

Odrzywolek & Heger, 2010

Early warning system will be prepared

SN 200pc

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SK-Gd pointing accuracy

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νe̅+p

ν+e scattering

(10kpc SN simulation)

ν+e-→ν+e-νe̅ +p→e++n

νe̅ w/o tagging ν̅e tagged with 80% eff.

2020.6.3 ugap2020

• �𝜐𝜐𝑒𝑒 events can be tagged and rejected, and directional events (𝜐𝜐𝑒𝑒+e scattering events) are enhanced.

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Impact of SK-Gd

• Pointing in 3o accuracy will allow the follow-up with large telescopes

24

Nakamura, Horiuchi et al., MNRAS, 461, 3296 (2016)

2020.6.3 ugap2020

For 10kpc SN ~5° ~3°

SK SK-Gd

VRO

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Tests with the EGADS (200t tank) demonstrator

• Studying Gd water quality with actual detector materials used in SK Also testing 13 HPDs for Hyper-K

• Have been operating with full (0.2%) Gd2(SO4)3 loading since 2015

Evaluating Gadoliniumʼs Action on Detector Systems

15m3 tank to dissolve Gd

Gd water circulation system (purify water with Gd)

Transparencymeasurement(UDEAL)200 m3 tank with 240 PMTs

252020.6.3 ugap2020

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EGADS water quality

• The light left at 15 m has been stable at ~75% for 0.2% Gd2(SO4)3, corresponds to ~92% of SK-IV average.

• No loss of Gd: >99.99% of Gd remains after circulating the water system for more than 350 times 262020.6.3 ugap2020

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Neutron Calibrations in EGADS• Calibration done w/ AmBe neutron source• BGO crystal used to detect 4.4 MeV “prompt” γ signal• Decay time constant consistent w/ expectation• Energy distribution well reproduced by MC

Gd neutron capture efficiency Data: 85.3±0.9% (stat)MC: 84.4± 0.3% (stat)

Delayed signal spectrum

Gd2(SO4)38H2O concentration 2178±76ppm→ Expected 30.05±1.14 µs Fitted data 31.32±0.76 µs

Time to delayed signal

Demonstrated neutron detection with Gd in water Cherenkov detectors 272020.6.3 ugap2020