基礎科学研究紹介教員紹介多米田 裕一郎
講師 多米田 裕一郎

 1912年の発見以来、様々なエネルギーの宇宙線が観測されてきました。しかしながら、宇宙線は主にイオン化した原子核であり、宇宙空間を伝播する過程で磁場との相互作用により到来方向の情報を失ってしまうため、宇宙線の起源はいまだ直接観測されていません。近年観測技術の向上により、10の18乗電子ボルトを超えるエネルギーをもつ超高エネルギー宇宙線の観測が可能となってきました。超高エネルギー宇宙線は、宇宙空間の磁場中をも直進できるとされており、宇宙線起源天体の同定が期待されています。  本研究室では、Telescope Array実験に参加して、超高エネルギー宇宙線の起源解明を目指しています。

Telescope Array (TA) 実験

TA実験は、超高エネルギー宇宙線の起源解明を目的とした、日米を中心とする国際共同実験です。米国ユタ州の西部砂漠地帯に設置され(図1.)、2007年より観測を続けています。TA実験は, 地表粒子検出器と大気蛍光望遠鏡の2種類の検出器を用いて宇宙線を観測しています。地表粒子検出器(図2.)は、1.2 km間隔で507台が設置され700平方kmという広大な面積を網羅しています。ちなみに琵琶湖の面積が約670平方kmです。これを囲むように、3箇所に大気蛍光望遠鏡(図3.)が設置され、地表粒子検出器の上空を見上げています。 望遠鏡は口径3 m反射望遠鏡で各望遠鏡ステーションに12台または14台設置されています。これらの装置を用いて、超高エネルギー宇宙線によって生成された宇宙線空気シャワー(電子などの粒子群)を観測しています。


これまでに、TA実験は超高エネルギー宇宙線のエネルギースペクトルや質量組成、そして到来方向など、様々な結果を報告しています。エネルギー毎の到来頻度を表すエネルギースペクトルの測定からは、理論予測されていたGZK限界と無矛盾であることを示しました(図4.)。また、宇宙線の粒子種を表す質量組成解析では、系統誤差がありまだはっきりしたことはわかっていませんが、水素原子核など軽い粒子であることを示唆しています(図5.)。そして到来方向解析では、超高エネルギー宇宙線の到来頻度が他と比べて高い領域があることを示しました(図6.)。この結果から、さらなる観測により宇宙線の起源天体の同定が期待されています。
これらの結果を受けて、TA実験の拡張計画であるTAx4実験やTALE実験が現在建設中です。


CRAFFT実験

本研究室では、次世代の超高エネルギー宇宙線観測のための新型大気蛍光望遠鏡(Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel-lens Telescope : CRAFFT)の開発を行っています。TA実験など従来の反射望遠鏡と比べて、市販の紫外線透過フレネルレンズを用い、光検出素子(光電子増倍管)を少数化することで低コスト化を実現し、将来の宇宙線観測実験の大規模化に伴うコスト増の問題を解決します。現在、試作望遠鏡による宇宙線観測の実証実験を勧めています(図4.)。


ドローンを用いた宇宙線観測用望遠鏡の較正装置開発

近年の飛躍的な普及を背景に、ドローンは様々な分野で応用されています。本研究室では、ドローンにLED標準光源を搭載することで、宇宙線観測用望遠鏡の検出感度や視野を較正する装置を開発しています。Opt-copterと名付けられた本デバイス(図5.)は、2台のGPSを用いたRTK測量を採用しており、飛行経路を数cmの精度で測定することができます。このように位置を高精度で測定することで、望遠鏡の検出感度及び視野を高い精度で較正することが目標です。


その他の研究テーマ

 本研究室では、これら以外にも以下に挙げるようなテーマで、宇宙線に関する様々な研究を行っています。
  • 宇宙線などの観測のための汎用信号読出電子回路の開発
  • ハドロン相互作用モデルの宇宙線空気シャワーシミュレーションへの応用
  • 乗鞍岳における雷雲からの高エネルギー放射線の研究
  • Alpaca実験(南米ボリビアに建設を計画中)による高エネルギー宇宙線/ガンマ線の研究

最近の研究成果

  1. "First upper limits on the radar cross section of cosmic-ray induced extensive air showers", R.U. Abbasi, Y. Tameda, 他, Astropart. Physics, 87, (2017), 1-17
  2. "Search for EeV protons of galactic origin", R.U. Abbasi, Y. Tameda, 他, Astropart. Physics, 86, (2017), 21-26
  3. "The energy spectrum of cosmic rays above 1017.2 eV measured by the fluorescence detectors of the Telescope Array experiment in seven years", R.U. Abbasi, Y. Tameda, 他全123名, Astropart. Physics, 80, (2016),131-140
  4. "Measurement of the proton-air cross section with Telescope Array’s Middle Drum detector and surface array in hybrid mode", R.U. Abbasi, Y. Tameda, 他, Phys. Rev. D, 92, (2016), 032007
  5. “A Northern Sky Survey For Point-Like Sources Of EeV Neutral Particles With The Telescope Array Experiment”, R.U. Abbasi, Y.Tameda, 他全126名, ApJ, 804, (2015), 133
  6. “The hybrid energy spectrum of Telescope Array’s Middle Drum Detector and surface array”, R.U. Abbasi, Y.Tameda, 他全127名, Astropart. Physics, 68, (2015),27-44
  7. “Study of Ultra-High Energy Cosmic Ray composition using Telescope Array’s Middle Drum detector and surface array in hybrid mode”, R.U. Abbasi, Y.Tameda, 他全127名, Astropart. Physics,64, (2015), 49-62