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最高エネルギー宇宙線の起源-デカジュール粒子による宇宙物理の開拓-(福島 正己)

研究領域名

最高エネルギー宇宙線の起源-デカジュール粒子による宇宙物理の開拓-

研究期間

平成15年度~平成20年度

領域代表者

福島 正己(東京大学・宇宙線研究所・教授)

領域代表者からの報告

(1)研究領域の目的及び意義

 有史以前から今日まで、宇宙は人類の尽きることのない知的好奇心の対象であった。光学望遠鏡によって本格的に始まった天文学は、この半世紀の間に、電波、紫外線、X線、ガンマ線、ニュートリノとその観測手段を広げて発展し、一方で素粒子物理学の成果を包含して宇宙物理学が創始され、結果として人類は驚異的な現象を発見し、それらを解明してきた。
 しかし、今日依然として残る謎の現象もある。その一つが宇宙線の存在とその起源である。現在確認されている宇宙線の最高エネルギーは1020電子ボルト、すなわち16ジュールを超える。このような巨視的エネルギーを持つ素粒子(最高エネルギー宇宙線)は、宇宙における超高エネルギーの天体現象、すなわち活動銀河核からのジェット噴出や、ガンマ線バーストなどの天体爆発、あるいは現在の宇宙に取り残されたビッグバン痕跡粒子の崩壊などに起源を持つと推定されている。
 地球に到達する宇宙線のエネルギーは、1020電子ボルト付近で限界に達することが理論的に予想されているが、東京大学宇宙線研究所のAGASA 空気シャワー観測装置は、1020電子ボルトを超える宇宙線を10例以上検出した。 その一部は同一方向の点源から到来するように見える。
 本研究領域では、AGASAを一桁上回る感度を持つ地表検出器アレイと、シャワーの大気中での微弱な発光を撮像観測する大気蛍光望遠鏡を建設し、最高エネルギー宇宙線の精密観測を行うことを目指した。これによって、AGASAの観測した最高エネルギー宇宙線の起源と、その宇宙空間での伝播機構を解明していく。

(2)研究成果の概要

 本研究領域では、国内・外の研究機関に属する研究者が、異なった検出器技術と観測経験を持ち寄り、北半球最大の宇宙線観測装置 Telescope Array (TA) を米国・ユタ州の砂漠地帯に建設した。TAでは、琵琶湖に匹敵する広い領域(680 km2)に地表粒子検出器を多数設置し、その上空100億トンの大気を、超高速・高感度撮像カメラを持つ望遠鏡群で監視する。宇宙線観測を行う「地球カロリメーター」の登場である。
 TAの建設は、科学研究費補助金特定領域研究を主要な財源として、東大宇宙線研・東工大・大阪市大・千葉大・山梨大ほかの研究者が行なった。米国からは、ユタ大学とラトガース大学が国立科学財団の予算を獲得して参加した。現在は韓国とロシアの研究機関が加わり、約110人が参加する国際共同実験として運用されている。
 TAは、本研究領域第5年度目の 2008年3月に完成し、定常観測を開始した。2009年7月の宇宙線国際会議では、これまでの1年をこえる観測で得られたデータを用いて、最初の報告を行った。現在は定常観測を継続するとともに、エネルギーの系統誤差を改善する較正装置に注力している。
 また世界最高の人工エネルギーを持つLHC加速器においては、本研究領域の計画研究で製作した LHCf 最前方中性粒子観測装置の準備が完了しており、本年秋には実験が予定されている。LHCf データの解析により、最高エネルギー宇宙線観測の信頼度が格段に高まると期待される。

審査部会における所見

B (研究領域の設定目的に照らして、十分ではなかったが一応の成果があった)

 目標に対して多少の遅れがあるが、Telescope Arrayの蛍光望遠鏡と地上検出器を建設できたことは高く評価できる。しかしながら、実際の宇宙線観測及びLHCf実験が必ずしも当初の予定どおり達成できておらず、また、最終的な研究成果が論文としてまとまってなく、若手人材育成にも支障があるように見受けられることから、6年間で成果をあげるべき特定領域研究として適当な研究テーマであったか疑問が残る。これまでのところ、大型観測装置によって最高エネルギー宇宙線の起源や加速・伝播機構について明確な結論が得られていないので、今後の観測により当該学問分野への大きな貢献を期待したい。

 

お問合せ先

研究振興局学術研究助成課

-- 登録:平成22年01月 --