研究について

宇宙線グループの研究内容

宇宙線物理学は、宇宙物理、素粒子・原子核物理、地球物理の3分野にまたがる学問。宇宙の極限環境での物理、宇宙線に影響を受ける地球環境を研究の対象とします。

宇宙線は英語でcosmic raysと言われます。私達の研究室の略称CRはこの頭文字をとっています。宇宙線は、宇宙から地球に降り注いでいる放射線で、1911年にHessによって発見されました(1936年にノーベル物理学賞を受賞)。宇宙線の主成分は陽子であり、電子や原子核などの荷電粒子や、ガンマ線などの高エネルギー光子やニュートリノも含みます。宇宙のどこかで生まれた宇宙線は、星間磁場や太陽・地球の磁場による影響を受けながら地球へ到達します。

宇宙線は、ユニークな素粒子実験の場を提供し、宇宙の高エネルギー現象について情報をもたらします。また、磁場に影響される宇宙線は太陽地球環境を調べるプローブにもなります。この様に宇宙線の研究は素粒子・原子核物理、宇宙物理から地球物理まで幅の広い領域にまたがっており、我々の研究室にも様々な研究テーマがあります。

宇宙線物理学を中心に、加速器物理、天体物理や地球環境まで、幅広い分野にまたがった実験的研究を行っています。

研究の紹介

LHCf/RHICf実験

10の20乗電子ボルトに達する超高エネルギー宇宙線の観測では、宇宙線が大気中で反応して生成する2次粒子のシャワーを測定しています。しかし、超高エネルギーでの宇宙線の反応は実験データが無くよく分かっていません。 私達はラージハドロンコライダー(LHC)やリラティビスティックヘビーイオンコライダー(RHIC)に独自の検出器を組み込み、超高エネルギー宇宙線の反応を実験的に調べる「LHCf実験」や「RHICf」を行っています。ここで得られる素粒子実験データは、宇宙線観測の精度を上げ、加速器では実現不可能なもっと高いエネルギーの現象を宇宙線によって探る糸口となるでしょう。

太陽中性子観測

荷電粒子の加速現象は、宇宙の至るところに存在するプラズマに普遍的な現象で、地球近傍や太陽の表面でも、スケールこそ違え同様の現象が起こっています。太陽表面は我々に最も近い宇宙線源であり、太陽フレアと呼ばれる爆発現象に伴い粒子加速が起こっています。この時放出される太陽中性子を測定することで、粒子加速の現場を捕らえることができます。メキシコのシェラネグラ山頂にSciCRT検出器を設置して、太陽フレアに伴う太陽中性子の観測を行っています。

MOA重力レンズ探索

暗天体が視線上を通過した時、その背景の天体が一瞬増光することを重力マイクロレンズ現象と呼びます。私たちはニュージーランド南島にあるカンタベリー大学付属マウントジョン天文台に専用1.8 m広視野光学望遠鏡を設置し、重力マイクロレンズの観測を行っています。私たちはこの手法を用いて、これまでにMACHO天体や太陽系外惑星の発見にも成功しました。この望遠鏡の広い視野を生かして、ガンマ線バーストや重力波の発生に同期した残光を探す追観測も行っています。

年輪中炭素14測定

宇宙線は地球大気に突入して反応を起こし、宇宙線生成核を作ります。その中で放射性炭素14は、二酸化炭素として年輪に取り込まれます。年輪中の放射線炭素量を測定することで、過去の宇宙線の強度や、変動の歴史を知ることができます。宇宙線の強度を左右する太陽磁場強度の過去の様子や、宇宙線が突発的に増加した現象の探索を行っています。

地下実験(スーパーカミオカンデXMASS実験

地下千メートルの神岡鉱山は、通常の宇宙線がほとんど届きませんが、ニュートリノや暗黒物質の候補「WIMP」は、ほとんど物質と反応しないため地下深くまで届きます。ニュートリノは謎に満ちた粒子であり、他の素粒子に比べ何桁も質量が小さく、左巻き粒子しか存在せず、飛行中にニュートリノ振動と呼ばれる現象により種類が変化します。このニュートリノのもつ不思議な性質が宇宙の進化の鍵を握っていると考えられています。私達はこの神岡鉱山にある巨大ニュートリノ実験スーパーカミオカンデを用いて、太陽や宇宙から飛来するニュートリノの研究を行なっています。神岡鉱山での液体キセノン検出器による暗黒物質探索XMASS実験では、暗黒物質が検出器を通り抜ける際に生じる微弱な光を検出しようとしています。私たちは、液体キセノンを用いた新しい暗黒物質検出器の開発も行っています。

私達はこの神岡鉱山にある巨大ニュートリノ実験スーパーカミオカンデに参加し、太陽や銀河中心に集積した暗黒物質が対消滅して作る高エネルギーニュートリノを探索しています。

また液体キセノン検出器による暗黒物質探索XMASS実験もいよいよ始まり、超対称性粒子が検出器を通り抜けた痕跡をつかもうとしています。

宇宙ガンマ線観測

ガンマ線は、宇宙線と星間分子の相互作用で生成され、荷電粒子と異なり星間磁場で進行方向を曲げられることがないため、宇宙線の加速現場を研究する有力な方法です。また、ガンマ線は、暗黒物質の相互作用によっても生成されるため、暗黒物質探査の有力な方法の一つです。

宇宙線研究室では、人工衛星や地上チェレンコフ望遠鏡を使って、宇宙線の起源や伝播の物理過程の解明や暗黒物質探査に取り組んでいます。