最先端研究 V テレスコープ・アレイ（TA）実験 - 最高エネルギー宇宙線で宇宙を探る 佐川 宏行 高エネルギー宇宙線研究部門 2015年3月5日 1 概要 • 宇宙線の発見から最高エネルギー宇宙線の観測まで • 最高エネルギー宇宙線の起源探索とTA装置 • TAの最近のおもしろい結果 • その他の研究 • 国際化の中で 2 宇宙線 宇宙線：宇宙空間を飛び交う高エネルギーの極めて小さな粒子 主成分は陽子。その他アルファ粒子等の原子核など ほぼ一様に降って来る (これまでの有意な異方性～0.1%) • 1912年 宇宙線の発見 • 1930年～1940年代 宇宙線による素粒子発見 • 陽電子、ミューオン、パイ中間子・・・ • 1938年 空気シャワー現象の発見 • 1950年代以降 素粒子発見は粒子加速器実験 に譲り、宇宙線による宇宙観測などに移行 • 1962年 最初の最高エネルギー宇宙線の検出 3 宇宙線のエネルギーに限界はあるか この画像は後の WMAPによる観測 • 1964年 宇宙背景放射 (CMB) の発見 • 1965年 GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin)限界の予言 • 特殊相対性理論によると、最高エネルギー宇宙線（~1020eV）はCMB光子と 相互作用して1.5億光年程度しか伝播できず、地球に届くときには頻度が急 激に減少する 陽子 E ~ 1020 eV 𝐸𝐸𝛾𝛾 ~ 10-3 eV 中性子 陽子 陽子静止エネルギーの1011倍 （1000億のローレンツ変換） プランクスケールに最も近い最高エネルギーでの特殊相対性理論の検証 4 宇宙線のエネルギースペクトル 頻度とエネルギーの関係 102 10-1 10-4 宇宙線の頻度 10-7 10-10 10-13 頻度 ∝ 1 𝐸𝐸 3 最高エネルギー宇宙線 ～1020 電子ボルト 10-16 10-19 100平方キロメートルに 1年に1個来るかどうか 10-22 10-25 10-28 LHCビーム エネルギー 1000万倍以上 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 エネルギー (電子ボルト, eV) どのようにして1020電子ボルトのエネルギーが得られるかはいまだに謎 5 (頻度)×(エネルギー)3 (eV2m-2sec-1s-1) 宇宙線のエネルギーに限界はあるか 1026 1990年代～2000年代半ば 米国 ユタ州 ダグウェイ 日本 山梨県 明野村を中心 AGASA 1025 HiRes 1025 大気蛍光望遠鏡 シンチレータ地表検出器アレイ 100平方キロメートル 1024 1024 限界がない？ 1023 1023 1019 1020 エネルギー (電子ボルト, eV) 限界がある？ 1017 1018 1019 1020 1021 エネルギー (電子ボルト, eV) エネルギーの限界があるかどうかの検証 ⇒次世代の測定器：米国のTelescope Arrayと南米Auger より広範囲な地表検出器アレイ+大気蛍光望遠鏡 6 地表検出器と大気蛍光望遠鏡 宇宙線空気シャワー 大気蛍光望遠鏡 大気蛍光 空気シャワーからの 大気蛍光を撮像 鏡 カメラ 地表検出器 通過する二次宇宙線を 直接観測 7 概要 • 宇宙線の発見から最高エネルギー宇宙線の観測まで • 最高エネルギー宇宙線の起源探索とTA装置 • TAの最近のおもしろい結果 • その他の研究 • 国際化の中で 8 最高エネルギー宇宙線の到来方向と発生源 宇宙線の 発生源 低エネルギー宇宙線：宇宙磁場に曲げられる 最高エネルギー宇宙線：ほぼ真っ直ぐ進む⇒発生源特定の期待 9 宇宙の最強加速器候補は？ 活動的銀河核AGN 約1.5億光年以内の銀河分布 おおぐま座 銀河団 宇宙最大 ブラックホール 非一様的な分布 超銀河面 おとめ座 銀河団 銀河集団 宇宙最大重力束縛系 John P. Huchra, et al 2012, ApJ, 199, 26 2MASS カタログより 赤道座標 ガンマ線バースト 宇宙最強爆発 GZK限界が成り立ち、最高エネルギー宇宙線の発 生源が近傍に限られると以下が期待される ・発生源の特定 ・到来方向の異方性観測 10 日米韓国ロシアベルギー5カ国 130名 (日本75名) 30 km テレスコープアレイ(TA) 大気蛍光望遠鏡 30 km 米国ユタ州 1.2 km間隔 700 km2 2008年5月より ハイブリッド観測開始 地表検出器 3平方メートル シンチレータ 大気蛍光望遠鏡 大気蛍光望遠鏡 11 12 大気蛍光望遠鏡と地表検出器による 空気シャワー同時観測例 （2008年10月26日5時51分50秒UTC） 上空 大気蛍光望遠鏡による観測 地表検出器による観測 北 6キロメートル 丸のサイズ大：信号大 ） ° 検出器南北番号 南 仰角（ 地面 方位角（°） 遅い 早い 西 検出器東西番号 2×1019電子ボルトの宇宙線 東 13 概要 • 宇宙線の発見から最高エネルギー宇宙線の観測まで • 最高エネルギー宇宙線の起源探索とTA装置 • TAの最近のおもしろい結果 • その他の研究 • 国際化の中で 14 TAのエネルギースペクトル 銀河系外陽子宇宙線伝播の理論計算（曲線） 宇宙背景放射光子と反応して伝播 6年間の地表検出器データ （2008年5月～2014年5月） ([頻度J（E)]×[エネルギー E]3)の対数 くぼみ 電子陽電子対生成 ○ 6-year TA SD data 急激な頻度の減少 GZKカットオフと矛盾なし （エネルギー E）の対数 15 最高エネルギー宇宙線の到来方向の分布 • 2008年5月～2014年5月（6年間）のデータ • 5.7x1019 電子ボルト以上: 87事象 青：2014年7月 プレスリリース TAの視野 1019電子ボルト付近は 一様等方的 3316事象 超銀河面 赤道座標 E > 1019 eV 16 銀河系（天の川銀河） 4万5千光年 2万5千光年 側面図 17 超銀河面 1億光年 ケンタウルス 座超銀河団 おとめ座 超銀河団 かみのけ座 超銀河団 ほうおう座 超銀河団 ペルセウス座 うお座超銀河団 18 最高エネルギー宇宙線の到来方向の分布 • 2008年5月～2014年5月（6年間）のデータ • 5.7x1019 電子ボルト以上: 87事象 青：2014年7月 プレスリリース 1019電子ボルト付近は 一様等方的 3316事象 超銀河面 赤道座標 • 赤い半径20度の円内 E > 1019 eV • 等方的到来分布の期待数：5.5 ↔ 観測数：23 （23/5.5 ∼400%） 19 最高エネルギー宇宙線の到来方向の異方性 ホットスポット 異方性有意度マップ 最大有意度 5.55σ 有意度 実際の観測数と 一様到来の場合 その差が有意か を表す指標 世界初の高い有意度で 異方性をとらえる • 最大の有意度（5.55𝜎𝜎）が偶然に生じる確率は約10万分の3 最高エネルギー宇宙線天文学の創出 20 最高エネルギー宇宙線の到来方向の異方性 ホットスポットの方向 天の川銀河（我々の銀河）からはずれた方向→銀河系外からやってきた 21 6年間のデータ 超銀河面 Constellation map: http://sky-map.org カシオペア座 はくちょう座 北斗七星の近く おおぐま座の足元の方向 22 最高エネルギー宇宙線の到来方向の異方性 ホットスポット 異方性有意度マップ 最大有意度 5.55σ 世界初の高い有意度で 異方性をとらえる • 最大の有意度（5.55𝜎𝜎）が偶然に生じる確率は約10万分の3 今後データを増やして ホットスポット ・ 発生源天体は？ ・ 構造は？ ・ エネルギー分布は？ ・ 他にホットスポットは？ 23 最高エネルギー宇宙線のクラスター探索 (E > 1020 eV) 3度程度以内にかたまっている Ｅ > 5.7x1019eV TA: 2008/5月 – 2014/5月 ( 6年) Auger: 2004/1月 – 2014/3月 (~10年) arXiv:1411.6111 点源のヒント？ 24 空気シャワー最大発達深さによる粒子種の同定 ｐ 50 station・ Fe years γ TAデータ Xmax(Fe) Xmax(p) 鉄 ν 鉄 陽子 シャワー最大発達深さの平均 ν 最大発達深さXmax 陽子 シャワー最大発達深さXmax エネルギー 大気の深さ (g/cm2) 陽子モデルと矛盾なし 25 TA×4計画 最高エネルギー宇宙線天文学のフロンティア 500台のシンチレータ検出器 2.1 km間隔で設置（日本担当） 地表検出器を４倍に拡張 2015年度から建設できた場合 2年間で建設 最高エネルギー宇宙線 2020年：TA21年分：～300事象 ∼7.7σ 3スポットの 場合の予想 2025年：TA40年分：～600事象 26 概要 • 宇宙線の発見から最高エネルギー宇宙線の観測まで • 最高エネルギー宇宙線の起源探索とTA装置 • TAの最近のおもしろい結果 • その他の研究 • 国際化の中で 27 宇宙線のエネルギーと観測頻度 銀河系内超新星爆発 による加速？ 銀河宇宙線？ 観測頻度 銀河系外成分？ Knee 4万5千光年 最高エネルギー 宇宙線 2nd knee ~1015 28 1017 - 1018 1020 エネルギー（電子ボルト） 28 TALE (TA Low-energy Extension) • E = 1015.6 – 1019 eV TA MD FD • Second knee at ~1017.5 eV? • 銀河系宇宙線から銀河系外宇 TALE FD 宙線へ遷移? TA×4 SD 計画 • 1017~1018 eVで質量組成の変化? • LHC p+p反応 (7x1012eVx7x1012eV) 1017 eV 宇宙線空気シャワーと等価 • ねらい • 最近エネルギーの加速器 実験データ→air shower simulation ⇔宇宙線空気 シャワーデータ TALE SD • 建設 • TALE FD: 10台建設済→稼働 • TALE SD: 105台中35台設置→ 部分稼働 TA SD TALEデータ 29 NICHE (提案中) + TALE + TA + TAx4 全FDと 部分的にSD稼働 (提案中) 黒：TAの測定結果 赤：TALEの測定結果 最高エネルギー宇宙線の起源解明を基軸とし、 5桁 のエネルギー領域に渡って (1015.0 ~ >1020.8 eV) 宇宙線の到来方向、エネルギーとXmax(組成) の測定 NICHE: Non-Imaging CHErenkov detector PMTアレイ（部分的に建設中） 30 電子加速器を用いた望遠鏡の較正 ３基の通信塔 507 台の地表粒子検出器 (1.2km 間隔) ７００km2 ３つの大気蛍光望遠鏡 ステーション ELS (Electron Light Source) 電子加速器 米国ユタ州 39.3 o N, 112.9 o W alt. 1400 m 31 電子加速器を用いた望遠鏡の較正 • 望遠鏡による空気シャワーエネルギー測定の系統誤差 • • • • 大気蛍光効率：シャワーの電子が大気窒素励起→蛍光（～5個/MeV） 大気透明度 望遠鏡（光子数→デジタル化）：鏡、フィルタ、PMT、回路の効果 宇宙線空気シャワーの再構成 ⇒エネルギーの全系統誤差21% • エネルギーが分かった電子ビームで疑似空気シャワーを 生成して再構成⇒望遠鏡の一括較正 ターゲット：すべての見直しで全系統誤差を半分にする • 電子加速器の製作→ユタへの輸送・TAサイトに設置 • 宇宙線研が中心となり、KEK加速器グループと共同開発製作 32 電子加速器と較正 電子ビーム BR FD station 100m 宇宙線 電子ビーム FDで撮像された データのイメージ • 40-MeV, 109 個の電子 (典型例) • End-to-end FD エネルギー較正 • 実データ • ELS 電子のエネルギーと ビーム電流をモニタ • FDの測定値： FADC カウント • . 比較 • MC データ • シャワー生成 • Geantシミュレーション • FD シミュレーション・再構成 • TA オフラインソフトウェア ・もう一つの利用 ・宇宙線の電波観測の開発研究 33 概要 • 宇宙線の発見から最高エネルギー宇宙線の観測 まで • 最高エネルギー宇宙線の起源探索とTA装置 • TAの最近のおもしろい結果 • その他の研究 • 国際化の中で 34 TA国際共同実験 ５か国 日本、米国、韓国、ロシア、ベルギー 35 日本（23大学・研究所） • 東京大学 • 宇宙線研究所 • IPMU(数物理機構) • 地震研究所 • • • • • • • • • 東京工業大学 東京理科大学 近畿大学 大阪市立大学 神奈川大学 山梨大学 埼玉大学 理化学研究所 東京都市大学 • 早稲田大学 • 千葉大学 • KEK（高エネルギー加速器研究 機構） • 高知大学 • 立命館大学 • 広島市立大学 • 放射線医学総合研究所 • 愛媛大学 • 九州大学 • 信州大学 • 中部大学 36 米国 • ユタ大学 ソルトレーク デルタ市 TAサイト 37 韓国 • Ewha Womans University • 梨花女子大学 • Yonsei University • 延世大学 • Hanyang University • 漢陽大学 • Sungkyunkwan University • 成均館大学 • UNIST • 蔚山科学技術大学校 38 ロシア、ベルギー • モスクワ（ロシア） • ＩＮＲ（ロシアアカデミー原子核研究所） • ブリュッセル（ベルギー） • ブリュッセル自由大学 39 宇宙線研究所のメンバー • スタッフ（15名） • • • • • • • • • 教授： 福島正己 准教授： 佐川宏行 助教： 竹田成宏、野中敏幸 特任助教： 川田和正、得能久生、池田大輔 特任研究員： 木戸英治 協力研究員： 藤井俊博（学振でシカゴ大学へ） 技術専門職員：大岡秀行、下平英明 技能補佐員： 大木薫、清水兼壽 准教授：瀧田正人、助教：大西宗博 両氏はチベット実験が主 • 秘書： 木次敦子、千田藍 • 学生（2名） • D2： 武石隆治 • M2： 申 興秀（Shin Heungsu） • 来年度M1＋１名 40 デルタ市（人口約3500人） • 居住地および作業場 Cosmic Ray Center 作業場 データ収集センター Delta House #3,#5 Budget Motel Cosmic Ray Center TA House : 3+1 Motor Lodge : 10 Dining: 12 +Mac Gas: 5 41 宇宙線センターと東の土地 (合わせて8400m2) 42 デルタの町 スーパーマーケット メキシコ料理 セブンイレブン デルタ市のメイン通り 百円ショップ 43 デルタの借家 外観 居間 乾燥機と洗濯機 キッチン・ダイニングルーム 44 国立公園 アーチーズ国立公園 Zion国立公園 スプリングデール Zion国立公園の入口付近 2014年にTAが主導して 国際会議UHECR2014開催 45 TAサイトにおけるバラエティに富んだ 国際共同実験 • TA外のグループとTAとのTAサイトでの共同実験 • TAとAugerの共同研究（実験、解析） • Auger標準光源(ドイツKIT+TA)@TAサイト • Auger地表検出器(コロラド鉱山大など+TA)@TAサイト • TA/Auger 全天異方性解析（E > 1019 eV）：出版済 • 超高エネルギー宇宙線を電波で観測する試験 • 電波エコー(TA/BNL/カンザス大/ネブラスカ大/宇宙線研/極地研) • 分子制動放射（ドイツKIT/シカゴ大、甲南大+TA）+電子加速器 • 氷の中のアスカリアン効果(千葉大学/ウィスコンシン大など+TA)＋電子加速器 • 南極のニュートリノグループ有志による • 宇宙からの観測との共同実験 • JEM-EUSOとTA-EUSO • 新望遠鏡の開発試験 • FAST(シカゴ大+TA) • 雷と同期したTA SDバースト事象 • TAサイトでの雷観測：TA/LMA(ニューメキシコ工科大+TA) 46 最高エネルギー宇宙線観測装置 680 km2 地表検出器 3箇所に大気蛍光望遠鏡 PAO FD PAO SD 3000 km2 地表検出器 4箇所に大気蛍光望遠鏡 47 オプトコプター*搭載Auger光源をTAサイトの 大気蛍光望遠鏡で撮像 (2012年10月) * ８枚ローター型ラジコン飛行体 TA FDで 撮像 48 Augerの水タンク地表検出器→ TAサイトへ Augerが得た空気シャワーのミューオン数過剰をTAサイトで検証 1.8倍 • Auger SD:水チェレンコフタンク • ミューオンに感度 • TA SD:シンチレータ • 電磁成分に感度 Auger水タンク@TA CLFサイト TAの空気シャワー事象と 同期したAuger水タンクの 信号取得！ 49 TAサイトにおけるバラエティに富んだ 国際共同実験 • TA外のグループとTAとのTAサイトでの共同実験 • TAとAugerの共同研究（実験、解析） • Auger標準光源(ドイツKIT+TA)@TAサイト • Auger地表検出器(コロラド鉱山大など+TA)@TAサイト • TA/Auger 全天異方性解析（E > 1019 eV）：出版済 • 超高エネルギー宇宙線を電波で観測する試験 • 電波エコー(TA/BNL/カンザス大/ネブラスカ大/宇宙線研/極地研) • 分子制動放射（ドイツKIT/シカゴ大、甲南大+TA） • 氷の中のアスカリアン効果(千葉大学/ウィスコンシン大など+TA) • 南極のニュートリノグループ有志による • 宇宙からの観測との共同実験 • JEM-EUSOとTA-EUSO • 新望遠鏡の開発試験 • FAST(シカゴ大+TA) • 雷と同期したTA SDバースト事象 • TAサイトでの雷観測：TA/LMA(ニューメキシコ工科大+TA) 50 宇宙線からの電波の観測試験 観測面積拡張 TAの100倍規模の拡張を目指して アイディア：安価なアンテナ受信装置で拡張しやすい 24時間稼働 電波エコー観測 （レーダー法） 流星レーダ観測の応用 51 TARA (TA Radar) • 宇宙線空気シャワーからの反射電波エコー観測試験 送信機 • TARA1.5 • 2011年4月-2012年7月 • 54.1 MHz @ 1.5 kW • TARA40 受信機 • 2013年夏~ • 54.1 MHz @ 40 kW 52 TAサイトにおけるバラエティに富んだ 国際共同実験 • TA外のグループとTAとのTAサイトでの共同実験 • TAとAugerの共同研究（実験、解析） • Auger標準光源(ドイツKIT+TA)@TAサイト • Auger地表検出器(コロラド鉱山大など+TA)@TAサイト • TA/Auger 全天異方性解析（E > 1019 eV）：出版済 • 超高エネルギー宇宙線を電波で観測する試験 • 電波エコー(TA/BNL/カンザス大/ネブラスカ大/宇宙線研/極地研) • 分子制動放射（ドイツKIT/シカゴ大、甲南大+TA） • 氷の中のアスカリアン効果(千葉大学/ウィスコンシン大など+TA) • 南極のニュートリノグループ有志による • 宇宙からの観測との共同実験 • JEM-EUSOとTA-EUSO • 新望遠鏡の開発試験 • FAST(シカゴ大+TA) • 雷と同期したTA SDバースト事象 • TAサイトでの雷観測：TA/LMA(ニューメキシコ工科大+TA) 53 雷と同期したTAバースト事象の発見 • 1ミリ秒に３以上のシャワートリ ガー現象が5年間に10例 • LMA: Lightning Mapping Array • VHF受信機アレイ • ニューメキシコ工科大学 (NMT) で開発：雷の三次元再構成 • 通常の100万倍多い • 雷と同期した地表検出器事象 4 km 米国雷探知網の情報 地表からの高さ • この発見を受けて、仮移設した ＬＭＡ(R. Thomas, NMT) 54 TAサイトにおけるバラエティに富んだ 国際共同実験 • TA外のグループとTAとのTAサイトでの共同実験 • TAとAugerの共同研究（実験、解析） • Auger標準光源(ドイツKIT+TA)@TAサイト • Auger地表検出器(コロラド鉱山大など+TA)@TAサイト • TA/Auger 全天異方性解析（E > 1019 eV）：出版済 • 超高エネルギー宇宙線を電波で観測する試験 • 電波エコー(TA/BNL/カンザス大/ネブラスカ大/宇宙線研/極地研) • 分子制動放射（ドイツKIT/シカゴ大、甲南大+TA） • 氷の中のアスカリアン効果(千葉大学/ウィスコンシン大など+TA) • 南極のニュートリノグループ有志による • 宇宙からの観測との共同実験 • JEM-EUSOとTA-EUSO • 新望遠鏡の開発試験 • FAST(シカゴ大+TA) • 雷と同期したTA SDバースト事象 • TAサイトでの雷観測：TA/LMA(ニューメキシコ工科大+TA) 55 宇宙からの観測と共同実験 JEM-EUSO Extreme Universe Space Observatory onboard Japanese Experiment Module Ground-based arrays 宇宙線研のTAグループも (1) Scintillator array ２０１２年１２月にJEM-EUSOグループに参加 約300名の共同研究者 望遠鏡観測の経験を活かして (2) Fluorescence 光電子増倍管較正等に寄与 telescope array 56 JEM-EUSOプロトタイプ @ TA 宇宙線研究所の較正装置で、光電子増倍管を較正 現在、ユタでプロトタイプを試験中 57 TAグループでの研究 測定器/各種実験 ・TA ・観測面積拡張計画 ・地表で（SD, FD, [電波]） ・ＴＡ×４ ・電波の試験 ・宇宙から（JEM-EUSO） ・低エネルギー拡張：TALE NICHE 近隣分野との連携 宇宙線：Auger ガンマ線、X線 ニュートリノ：南極IceCube 加速器実験 実験データ 空気シャワーモデル LHC: Ep ~ 4x1012 eV (これまで) エネルギー領域 物理 最高エネル ギー宇宙線 1020ev付近 超銀河宇宙：銀河集団 宇宙極高現象：AGN, GRBなど 極高エネル ギー宇宙線 ~1019ev以上 銀河磁場、 銀河系外磁場 超高エネルギー 宇宙線 ~1015ev以上 銀河系内宇宙線、 銀河系外宇宙線の 遷移 生成、加速、伝播機構 地球大気現象 雷観測 58
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