210■研究紹介

南極における BESS-Polar 宇宙線観測実験の実施経過
高エネルギー加速器研究機構

吉 田哲 也

山 本明

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部

福 家英 之on behalf of BESS 実験グループ
2005 年 2 月 28 日

1.

はじめにおける CP 対称性の破れによって生じた可能性が指摘されているが、その詳細は不明である。理論によっては、われ宇宙初期における素粒子現象の探索を目的として進めらわれの銀河から遠く離れた反物質領域の存在を予言する説れている日米共同宇宙線観測実験（BESS-Polar）は、昨年もあり、その直接的検証には宇宙から飛来する宇宙線中に12 月 13 日（ニュ－ジーランド夏時間 18:56）に南極マクマ含まれるかもしれない反物質を探索する他はない。しかしード基地近くのウイリアムズフィールドより、大型観測気これまでの BESS 実験においては、宇宙線ヘリウム原子核球を用いた気球搭載型超伝導スペクトロメータの南極周回成分の観測約 700 万事象に対して、反ヘリウム原子核事象軌道への打ち上げに成功した。ペイロードの上昇とともには一事象も観測されていない。

観測を開始し、約 3 時間後には予定飛翔高度 37 km に達しこれらの微量の反陽子、反物質を観測するには、大気のた。以後 37～39 km の高度を保ちつつ南緯 80～85 度の南極影響を受けない高空もしくは宇宙空間で大型の測定器を用周回軌道に沿って 8 日 17 時間の宇宙線観測を行い、観測さいて長時間観測する必要がある。また低エネルギー宇宙線れた宇宙線は約 9 億イベントに達した。本稿では今回実施の観測は、地磁気によるカットオフが小さな高緯度、極点された BESS-Polar 実験の経過を紹介する。

近傍でなければならない。南極周回気球での観測は、夏季に日没がないために高度調整用のバラストを必要とせず、

2.

実験の背景

南極点を周回する風に乗った飛翔によって約 10 日の連続超伝導スペクトロメータによる宇宙線観測実験（Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer：BESS）は、低エネルギー宇宙線反陽子の精密測
定と宇宙起源反物質の探索を科学観測テーマとして、1993年以来、カナダ北部、リンレークでの気球観測実験を続けてきた。宇宙から地球に飛来する宇宙線には微量の反陽子が含まれているが、BESS 実験では、超伝導スペクトロメータによる「質量の同定」という確実な方法で宇宙線を識別し、これまでに 2,000 例以上の低エネルギー反陽子の検出を行ってきた。その結果から、宇宙線反陽子のほとんどは高エネルギー宇宙線と星間物質の衝突を起源とするものであることを明らかにした。しかし一方、図 1 に示すように運動学的に衝突起源反陽子の生成が著しく抑制される低エネルギー領域でのスペクトルが平坦であることから、宇宙初期に生成された原始ブラックホールの蒸発など興味深い起源が存在する可能性も否定できない。
また、宇宙における物質、反物質の非対称性は、素粒子、宇宙論の根幹を関わる謎である。宇宙初期の素粒子反応に

図1

BESS 実験で得られた低エネルギー宇宙線反陽子スペクトル211
観測が実現できることから、低エネルギー反粒子反物質探開発にあたっては可能な限り低エネルギーまで反陽子を索実験には理想的な環境である。人工衛星や宇宙ステーシ観測できるように、測定器の物質量を少なくすることに細ョンを用いた実験に比べて、高緯度地域に留まることがで心の注意が払われた。まずこれまで BESS 測定器全体を包きる気球による南極周回実験は、少ない費用で機動性に富んでいた圧力容器を廃し、容器壁の物質量削減と約 300 kgむ極めてユニークな科学観測となる。BESS 南極周回気球の重量軽減を実現した。さらに最近開発された微小金属添実験は、これまでのカナダでの BESS 実験の成果を踏まえ、加による高強度アルミ安定化超伝導線を採用することによ

一桁高い統計量で低エネルギー反陽子宇宙線観測を行うとり、スペクトロメータの中核をなす超伝導ソレノイドの物

ともに、極微量に至る宇宙線反物質探索を目的としたもの

質量を半減させることに成功した。加えて低エネルギー領で、極域での長時間観測を目指したことから BESS-Polar域での粒子識別に専念することにより、飛行時間（TOF）実験と命名された。

測定用シンチレーションカウンタの厚さも 1 cm に半減するなどの努力を行った。また反陽子の粒子識別を補完する

3.

閾値型シリカエアロジェルチェレンコフカウンタは測定器

BESS-Polar 測定器の特徴の上部物質量を削減するために超伝導ソレノイド下部に据

BESS-Polar 実験の実施にあたっては BESS 測定器のコンえ付け、測定器上部から測定器中央までに入射粒子が通過セプトとこれまでの気球実験で得られた経験を基に、よりする物質量を これまでの BESS 測定器 の 9 g/cm2 から低エネルギー宇宙線反陽子観測が可能で南極周回長時間気4.5 g/cm2 に削減した。さらに BESS 測定器では入射粒子が球実験に対応した新しい超伝導スペクトロメータ測定器を上から下まで突き抜けることによって初めてトリBESS-Polar 測定器の開発が進められた。超伝導ソレノイド

ガ信号を生成したが、BESS-Polar 測定器では超伝導ソレノ内部に設置されるドリフトチェンバは、2001～2002 年に実イドのボア下部に薄いシンチレーションカウンタを設置す施された BESS-TeV 実験用に開発されたものを用いたが、ることによってトリガに必要な最低物質量を BESS 実験に

これ以外の測定器要素は、すべて BESS-Polar 実験用に新し比べて 1/4 として、測定器下部でエネルギー損失により止く開発・製作された。BESS 測定器と BESS-Polar 測定器のまってしまうような低エネルギー粒子まで観測可能として比較を表 1 に示す。

いる（図 2）。
表1

BESS 測定器と BESS-Polar 測定器の比較

アクセプタンス
超伝導ソレノイド中心磁場

BESS 測定器（2000 年）

BESS-Polar 測定器

0.3 m2str
1.0 Tesla

0.3 m2str
0.8 Tesla

超伝導コイル冷媒寿命

5.5 日> 10 日測定器重量2,400 kg

1,900 kg

消費電力
電力供給

900 W

420 W

リチウム一次電池
18 g/cm2

太陽電池
4.5 g/cm2

0.18～4.2 GeV

0.10～4.2 GeV

200 GV

240 GV

トリガに必要な最低通過物質量
反陽子測定可能運動エネルギー範囲測定可能最大硬度（Maximum Detectable Rigidity）

図2

従来の BESS 測定器（左）と BESS-Polar 測定器の比較

212
また長時間気球実験を実現するには、10～20 日間安定して測定器に電力を供給し続ける電源システムの開発が不可

5.

南極での科学観測実施欠であった。BESS 実験で用いられているリチウム電池 202004 年 10 月 27 日に、実験メンバーが米国のマクマード

日分は重量の観点から到底気球に搭載できない。南極の白基地入りし、マクマード基地近くのウイリアムズフィール

夜を利用し充放電システムを用いないシンプルで信頼性のドにて準備を開始した。ロス棚氷上に設置された大型テンある太陽電池電源システムの開発を進め、最長差渡し 8 m

ト内での準備中には、夜間空調が故障し零下 16 度まで冷え以上、高さ 2.8 m の変形 8 角錐台形をした大型全方位型太込む事故や、地吹雪の厳しい自然環境などこれまでの気球陽電池パネル構造体を BESS-Polar 測定器の下部に吊り下実験でも経験したことのない様々な試練もあった。テントげることとした。

内の暖房は零下の外気をボイラで加温して行われているためテント内は常に非常に乾燥した状態で、静電気によるコ4.

実験準備の経緯BESS-Polar 実験の準備は 2001 年から進められた。超伝導ソレノイドや粒子検出器の開発・製作と並行して、これンピュータや測定器の電子回路の破壊を防ぐことにも常に留意しなければならなかった。約一ヶ月の測定器調整チェ
ックの後の総合試験、気球打上げ装置との最終噛合せ試験を経て 12 月 3 日には観測準備を整えることができた。

までの BESS 実験での経験のまったくない太陽電池電源シ

一方、NASA の TDRSS（Tracking and Data Relay Sat-ステムの技術試験を 2002 年 5 月に実施した。この技術試験

ellite System）により中継されたペイロードからのデータをにおいて、大面積の太陽電池を保持する構造体を実際に宇受信する NSBF 本部の主制御センター（Primary Operation

宙科学研究所（現 宇宙航空開発研究機構宇宙科学研究本

Control Center：POCC）での準備も 11 月 25 日より始めら部）三陸大気球観測所より気球で打ち上げ、打上げ時や開れ、実際に TDRSS を用いたデータやコマンドの送受信の傘時の衝撃に対する機械的強度を確認し、また部分的に搭テストや、インターネットを経由したマクマード基地と載した太陽電池の表面温度、照度、発電量を浮遊高度で測POCC 間での通信テストなどが実施された。

定することにより BESS-Polar 実験での太陽電池システムの基本設計に問題のないことをチェックした。

10 日間の天候待ちの後、現地時間の 12 月 13 日午後 6 時
58 分、快晴、地上風速約 5 ノット（2.6 m/s）の条件で気球2003 年の秋には超伝導電磁石、太陽電池パネル等の技術の打上げに成功した（写真 1）。打上げ直後より宇宙線の飛翔試験が米国ニューメキシコ州フォートサムナーにおい観測を開始したところ、TOF シンチレーションカウンタのて行われた。この技術試験では気球を運用する米国の国立

光電子増倍管の一部にトラブルが発生した。このトラブル

科学観測気球施設（NSBF）が供給する通信システムとの整に対してはスペクトロメータのトリガ条件の変更により、合性や、過去に例を見ない大型ペイロードの磁場環境下で低エネルギー反陽子の観測感度を最大限に保つよう調整すの打上げ手順の確認など、測定器側と気球側のインターフることによって観測を継続した。その他の測定器要素はほェースを中心にチェックが行われた。パラシュートによるぼ正常に動作し観測は順調に進んだが、南極周回飛翔の経測定器回収では、太陽電池構造体が衝撃緩衝材としての役過とともに気球の軌道が当初予測よりも高緯度側にずれて割を果たして、超伝導ソレノイドなどのスペクトロメータ南緯 85 度近辺にまで達してしまった（図 3）。

本体に損傷が及ばないことを実証できた。
粒子検出器や電子回路を超伝導ソレノイドの周辺に組み込み、超伝導スペクトロメータとして完成させる作業は、共同研究のメンバーである米国メリーランド州の NASA ゴダード宇宙飛行センターで行われた。測定器を日米間輸送する時間的ロスと、数名の実験メンバーを米国に長期派遣する経費と測定器を日米間往復させる輸送費との差を考慮した結果の決断であったが、NASA という様々なプロセスが「宇宙仕様」で進む世界での作業に戸惑うことも多かった。当初予定に比べ 2 ヶ月ほどの準備の遅れが生じたものの、2004 年 8 月に測定器の組み立てを完了した。さらに米国テキサス州の NSBF 本部にすべての機材を移動させ、超伝導ソレノイドを含むすべての測定器を動作させた状態での噛合せ試験や最終レビューを経て、南極での実験の準備を整えた。

写真 1

BESS-Polar 測定器の打上げ

213からの 3 名を含む 5 名が雪上での作業を行った。第 1 回のアクセスでは、写真による現状記録、測定器の安全確認後、すぐに最も重要なデータ記録装置の回収を行った。その後、ペイロードを Twin Otter 機に積み込むために、超伝導ソレノイドを 3 分割する（写真 3）などの作業が 5 日間にわたって続けられた。

図3

BESS-Polar 航跡図

そのため赤道上空の静止衛星である TDRSS の視野から写真 2 着地点でのペイロード気球が外れてしまい、地上との交信が不安定になり、時には半日にわたってペイロードの状態をほとんどモニタができなくなるなど、想定を超えた苦労があった。8 日間をすぎた段階で、気球の軌道が南緯 82～83 度まで下がり、回収に適切なロス棚氷への着地が可能となったため、安全かつ確実な回収を優先して科学観測を終了した。通常の気球運用ではペイロード切離し前に着地点付近に航空機を派遣し、航空機からの無線コマンドで気球を切離し、さらに地上風をパラシュートが受けることによってペイロードが氷上を滑走することを防ぐために着地直後にパラシュートをペイロードより分離させる。しかし今回の切り離しでは航空機の手配がつかず、現地時間 22 日午前 11 時 14 分にペイロー
ドは POCC から発せられた衛星経由の無線コマンドにより気球から切り離され、パラシュートにより緩降下し、11 時

写真 3 超伝導ソレノイドの分解56 分に着地した。着地点は、ロス氷棚東端（南緯 83 度 6分、西経 155 度 35 分）で、マクマード基地から約 870 km

着地点とベースキャンプの間を Twin Otter 機で 7 往復し、南東であった。幸い今年より実用化された自動パラシューすべての測定器要素およびパラシュートを回収することがト切り離し装置が正常に作動してパラシュートが切り離さできた。12 月 29 日にはベースキャンプに集結したペイロれ、着地後もペイロードからイリジウム人工衛星経由で送ード部品を輸送機パレットに再梱包し（写真 4）、まとめられてきた GPS の座標よりペイロードの静止を確認するて LC130 輸送機でマクマード基地まで輸送し回収作業を完ことができた（写真 2）。

了した。この合計 7 日間を要する回収作業の後、マクマー着地点が遠方となったため、回収作業は極めて大掛かりド基地での実験機器の返送作業や作業場所の片付けをすまなものとなった。まず、大型輸送機（LC130）でマクマーせ、1 月 4 日に 2004 年 BESS-Polar 南極周回宇宙線観測実ド基地から約 900 km 離れた Siple Dome という米国のリモ験を終了した。測定器は現在南極より米国に向けて海上輸ートキャンプまで移り、そこをベースキャンプとして、小送中であり、4 月中旬に NASA ゴダード宇宙飛行センター型の Twin Otter 機で約 200 km 離れたペイロード着地点まに戻される予定である。

でを往復して回収を図ることになり、BESS 実験グループ

214を含む南極マクマード基地での活動は、米国科学財団（NSF）によって運営された。
BESS-Polar 実験の推進にあたり、KEK、ISAS をはじめとする関係諸機関、そして多くの関係者の皆様に大きなご支援を頂きましたことを、この場をお借りしてお礼申し上げます。

写真 4 回収された BESS-Polar 測定器

6.

南極での実験を終えてこの実験作業完了後、マクマード基地周辺の天候が悪化し、実験メンバーが南極を離れる飛行機が数日にわたり遅延した。最後の派遣メンバーが帰国するまで 10 日間を要した。真夏とはいえ改めて南極の自然の厳しさを実感し、同時に BESS-Polar 測定器の気球打ち上げや遠隔地での回収作業の間、天候に恵まれ順調に作業を進められたことを幸運に感じる。
今回の気球実験で収集されたデータサイズは、約 2 テラバイトとなった。データを記録したハードディスクはマクマード基地での読み出し確認後に複数のバックアップが作成され、日本と米国にそれぞれ空輸された。日本に送られたデータは既に KEK に到着し、データ解析作業が始まっている。
現在、データの一部を詳しく解析し、予想される測定器性能が達成されていることを確認しつつある。これによって解析手法を確立したうえで、全データの解析を進め、年内には、低エネルギー反陽子スペクトルを決定したいと考えている。
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BESS-Polar 実験は、高エネルギー加速器研究機構（KEK）、宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部（ISAS/JAXA）、東京大学、神戸大学、米国航空宇宙局（NASA）ゴダード宇宙飛行センター、メリーランド大学の日米共同実験として進められている。本研究は、日本では文部科学省科学研究費補助金（特別推進研究）、米国では NASA の研究費を得ている。また科学観測気球の打ち上げは米国テキサス州に本部をもつ米国立科学気球研究施設が実施し、気球飛翔