ハドロン宇宙国 際 研 究センター アイス ハップ ニュース

Icehap NewsInternational Center for Hadron Astrophysics

Apr. 2018 no.8

Astronomy × ν(neutrino) =Astroνmy?
Multi-Messenger
Astronomy:

the first groundbreaking observation ofneutrino-gamma raycorrelation

IceCubeasaW- factory?

a new search for the missing Glashow resonance©Lu LuReport now 1
ニュートリノ天 文学部門

高エネルギー宇宙ニュートリノ信号が拓いたマルチメッセンジャー天文学
ー IceCube170922A による宇宙線起源天体の同定 ー
理学研究院・教授

吉田 滋

PeV（1000 TeV）
を超えるため、まさに待ち望んだ高エIceCube による天体
ニュートリノアラート

ネルギー宇宙線起源天体（ PeVatronとも呼ばれます）
を明らかにしたことになります。世界中の天文施設が追観

南極点深氷河に展開するIceCube実験は、高エネル測を始めました。

ギー宇宙ニュートリノ事象候補を即時解析し、世界の天文観測施設にアラートを送信するシステムの運用を2016年4月より開始しました。これにより、様々な天文観測チャンネルの観測データを組み合わせ、時刻と到来方向の相関をとることで、ニュートリノ放射天体の同定が可能となります。千葉大学グループは、超高エネルギー帯（100TeV から EeV）の宇宙ニュートリノ検出感度に特化したアラートである通称 "EHE"（ExteremlyHigh Energy）セレクションの開発を担当し、これはもう少し低いエネルギー帯に感度がある "HESE" セレクションとともにIceCubeの2大アラートチャンネルです＊1。 2016年7月31日に最初の EHE イベントア

図1：2017年9月22日に検出した宇宙ニュートリノイベント（チェレンコフ光の分布図）。各球は氷河内に埋設された検出器、球のサイズはその検出器でうけたチェレンコフ光の量を示す。色は検出したタイミングを表し、赤→青の順に信号が記録された。

ラートが配信されて以降、2017年8月までの約1年間に4本のアラートを配信し、γ線望遠鏡などによる追観測が行われましたが、天体同定には至りませんでした。
EHE セレクションでは確率的に約半分の事象が、雑音

Fermi-LATとMAGICγ線望遠鏡による追観測である大気ニュートリノですので、この結果は驚くには

Fermi-LAT は Fermi衛星＊3に搭載されたγ線観測装及びませんが、吉報を期待して待ち続けながら秋を迎え

置で、20MeV から 数100GeV 程度のエネルギー帯のました。

γ線天文学研究を行っています。既知のγ線放射天体

IceCube 170922 A

は Fermi-LAT Source Catalog として公開されており、その中のブレーザー天体（BL-Lac 型）
TXS 0506+056

日本時間9月23日の朝5時54分に、EHE セレクショが ニュートリノ事象到来方向に存在していることが分ンによって高エネルギー事象が同定されました。水平にかりました。さらに Fermi-LAT チームが公開している

IceCube検出容積内を突き切るミューオントラックで、FAVA と呼ばれるγ線光度変動解析チャンネルで、この典型的な高エネルギー事象です（図１）。総チェレンコ天体が同年4月から活動を活発化し、通常時の最大約6＊2

フ光量 に基づく初期エネルギー推定は 120 TeV、オ倍の輝度でγ線を放射していることが分かりました。さフライン解析による最終推定値は 290 TeV であり、約らには、地上設置高エネルギーγ線望遠鏡 MAGIC が50% の確率で宇宙ニュートリノであると判定されましニュートリノ事象検出32時間後から 約10日間をかけた。事象検出後43秒後に最初のアラートが、4時間後た総計13時間弱に及ぶ集中観測を行い、この天体からに詳細解析情報を記載したGCN サーキュラーが配信さの 100 GeV を超える高エネルギーγ線放射を検出しれました。 IceCube 170922A と名付けられたこのました。高エネルギーニュートリノ事象と方角・時刻とニュートリノからの放射天体が同定されれば、ニュートもに同期したγ線放射が史上初めて検出され、その放射リノを生み出した親となる宇宙線陽子のエネルギーは天体が同定されたのです。

＊ 1 ICEHAP ニュース第 4 号に記事掲載。論文は Astropart.Phys. 92 (2017) 30-41＊２ チェレンコフ光 荷電粒子が物質中を運動する時、荷電粒子の速度がその物質中の光速度よりも速い場合に光が出る現象。IceCube は、ニュートリノが氷河中で放出した荷電粒子が発生するチェレンコフ光を捕らえる。

限で、宇宙線陽子の寄与をうまく入れ込むには新しいア同期観測の有意性
ニュートリノとγ線が、この天体 TXS 0506+056

イデアが要るようです。理論家の仕事を待つべきでしょう。またジェットが視線方向を向いている AGN であるから同時に観測されるということが偶然に起こる確率がγ線ブレーザー天体は、他の様々なIceCubeによる観重要です。全く偶然であるという仮説に対し 1.EHE ア

測からの制限により、ニュートリノ天体の多数派ではな

ラートの方向がγ線放射天体方向にあり、2.ニュートリいということが分かっています。宇宙線起源天体の多く

ノ輝度とγ線輝度もしくは輝度の変動量が比例しているはまた別種のものである可能性が高く、今後の観測能力という仮説のどちらがあり得るのか検定を行いました。の強化が待たれます。

-5

偶然仮説を支持する p-value は 2.1 x 10 （4.1σ）となり、到来方向決定精度に関してより保守的な仮定をおいても、3.6σという結果です。また、IceCube 170922 A
事象だけに限らず、過去に同様の事象が存在しているという自由度を勘案しても（look-elsewhere補正と呼びます）、偶然仮説は 3σ の有意性で支持されないという結果となりました。科学的に確固たる証拠とするにはやや有意性が足りませんが、この結果はブレーザー天体
TXS 0506+056 が PeVatron であるという強い示唆を与えます。

2014年12月にニュートリノフレアか?
この観測結果をうけて、我々は過去のIceCube観測データを洗い直し、この天体 TXS 0506+056 の方向のニュートリノ点源解析をおこいました。その結果、2014

図3：マルチメッセンジャー観測によって得られた、ブレーザー天体 TXS0506+056 からの放射エネルギー分布。電波からγ線まで約17桁に及ぶエネルギー領域で測定された。対応するニュートリノ流量の上限値を黒線で示している。
ニュートリノとして放射されたエネルギー輝度とγ線として放射されたエネルギー輝度がほぼ同程度であることがわかる。グレーで示した点は、今回のフレアー以前の過去の測定記録から計算された分布である。

日本の寄与

年12月16日を中心とした約160日間の長さにわたる期

今回の大きな進展は世界の研究者・観測実験によって間に、この方向からのニュートリノ事象が等方的分布達成されたことはもちろんですが、その中でも日本の貢から期待される数より卓越していることが分かりまし

献が際立っていたことは述べておくべきでしょう。このた。放射時期や期間の長さの自由度を勘案した統計的有事象の同定そのものがIceCube千葉大グループで開発

意性は 3.5σ です。図2 にニュートリノ事象卓説有意性された解析で実現しただけでなく、同期観測の有意性解（p-value）の空間分布を示します。超過が見られる方向は ＋ で示した TXS 0506+065 の方向と一致していま

析は千葉大グループの筆者とLu Luが先導して取り組みす。この天体はニュートリノ放射天体であることを支持

ト情報を受け取った筆者が当時広島大学にいた田中康之する、統計的に独立した検証となったのです。

氏にすぐに連絡し、追観測をお願いしたことにありまました。またそもそもの発端は、9月23日早朝にアラーす。東広島天文台かなた望遠鏡による観測でこの天体の可視光域での増光を確認した氏は自身がメンバーでもある Fermi-LAT の観測データを最初に解析し、γ線フレアが起こっていることを発見しました。Fermi-LAT からの最初の ATel配信の筆頭著者は田中さんです。林田将明氏（千葉大）
とともに Fermi-LAT 側での解析に大きな貢献をし、さらには諸隈智貴氏（東大）
らによる木曽観図2：ニュートリノ事象卓説
有意性（p-value）の空間分布

放射機構は何か?

測所のスペクトル観測や、すばる望遠鏡による赤方偏移同定の試みに繋がっていきました。
ニュートリノが拓くマルチメッセンジャー観測は、最初の大きな果実を得ました。この手法を強化し、宇宙線電波からγ線に至る追観測で得られたTXS 0506起源天体を確実に最速で同定していく努力を続けます。

+056のスペクトルを図３に示しました。ジェット内で多くの天文観測研究者のご協力なしには、この研究手法加速される電子で駆動する典型的なブレーザー天体のスは成り立ちません。ここで名前を挙げられなかった方々ペクトルと言えますが、主として X 線の流量による制を含め、多くの皆さんの共同研究に感謝します。

＊３ Fermi 衛星 = フェルミγ（ガンマ）線望遠鏡は、γ線観測用の天文衛星で、LAT という大面積望遠鏡とγ線バーストモニター（GBM）を搭載している。
アメリカ、フランス、ドイツ、イタリア、日本、スウェーデンの政府機関・研究組織による共同研究として、2008 年 8 月より運用が開始された。

Report now 2
ニュートリノ天 文学部門

深宇宙からのハドロン相互作用
特任研究員

Lu Lu 訳：吉田 滋（ICEHAPセンター長）

宙ニュートリノの流量はエネルギーのべき乗で記述でき、グラショウ共鳴高いエネルギーになるほど事象数が減少します。マルチ

素粒子物理に対する人類の理解は、検出技術の近代化

PeV 領域での統計をあげるために、今回新しい解析フに伴って大きく進展しました。地球圏外に起源をもつ荷ローを開発しました。我々のグループで開発したこの新電粒子である宇宙線は、ミューオンやパイ中間子などのチャンネルでは、反応点が検出器埋設容量の外側にある発見につながり、素粒子標準模型は加速器実験によってシャワー事象を同定しつつ大気ミューオンの雑音事象をテストされ実証され続けています。ところで、標準模型除去することで、グラショウ共鳴の起こるエネルギー領で予測されつつもまだ発見されていない現象に、反電子域における検出効率を従来の２倍に引き上げることに成ニュートリノと電子が衝突することで、W ボゾンを共鳴功しました。

生成する反応があります。この反応がおこるニュートリ

この解析を 2012 年から 2016 年にかけての約 4.6 年

ノのエネルギーしきい値は、電子の静止系で 6.3 PeV分の観測データに適用したところ、まさに 約 6 PeV の15eV）であり、人工加速器で到達するにはエネルギーをもつシャワー事象が同定されました。図 2

高すぎるのです。図１に、ニュートリノまたは反ニューにこのイベントを示します。ニュートリノ衝突点からチトリノの高エネルギー領域における反応断面積を示しまェレンコフ光が氷河内を 500m にもわたって伝播していした。6.3 PeV のピークが、グラショウ共鳴と呼ばれるる巨大なシャワー事象で、検出された総チェレンコフ光この W ボゾン共鳴反応に相当します（提唱者のシェルド子数はこれまでのどのイベントよりも多いものです。こ（1PeV は 10＊1

ン グラショウのイベントは、独立に解析が行われた超高エネルギー宇は 85 才でまだ現役です！）。

宙ニュートリノ探索（これも千葉グループで開発された、最高エネルギー宇宙線由来の GZK ニュートリノ同定に最適化した解析＊2）でも同定されました。Hydrangea（アジサイ）と名付けられたこのイベントは、GZK ニュートリノとするにはエネルギーが低すぎますが、天体起源宇宙ニュートリノとして過去最高クラスのエネルギーを持つと考えてよいものです。

図1: 荷電相互作用（CC）、中性相互作用（NC）、グラショウ共鳴の反応断面積。
6.3 PeV では共鳴反応断面積は 約300 倍も大きい。

PeV ニュートリノをハントする
IceCube 実験は GeV（109 eV）から EeV（1018 eV）のエネルギーをもつニュートリノを検出するようにデザインされています。宇宙ニュートリノ事象は、検出容積内に反応点を持つシャワーイベントと、地球を貫通して検出容積内を走るミューオントラックイベントによって測定されています。これまでの最高エネルギーニュートリノ事象は約 2PeV のシャワーイベントと、約 2.6PeV のエネルギーを落としたミューオントラック事象です。宇＊ 1 シェルドン グラショウ（Sheldon Lee Glashow）は、アメリカ
合衆国の物理学者。専門は数学と物理学。ボストン大学教授。

＊２ ICEHAP News 第５号に石原安野氏による記事が掲載。
論文は Physical Review Letters, 117, 241101,（2016）

図2: Hydrangea（アジサイ）イベント（左）と本物のアジサイ（右）。
似ていませんか?

Report now 2
ハドロンシャワー事象の可能性

検出は、（反）ニュートリノフレーバー比から宇宙ニュートリノ起源に迫る第一歩なのです。

6 PeVというエネルギーから、反電子ニュートリノからのグラショウ共鳴衝突で生成されたと考えてよい「アアジサイイベントが意味するもうひとつの重要な点は、ジサイ」イベントですが、他にも注目すべき特色があり宇宙ニュートリノのスペクトルが少なくとも 6 PeV まます。検出器で捉えられた最初の光信号は、シャワー事では高エネルギー領域に伸びているということです。ま象の特徴である、ニュートリノ衝突点から球状に広がるた図３に示すように宇宙ニュートリノが運ぶエネルギーチェレンコフ光波面から期待されるよりも早いタイミンの総量は、超高エネルギー宇宙線や拡散γ線とほぼ同じグで記録されています。むしろ、ニュートリノ衝突点でです。これは不思議なことです。なぜ全く違う種類の粒生成されたミューオンジェットからの信号と考えると説子がほぼ同じエネルギー運搬を担っているのでしょう。

明がつきます。この事実は、アジサイイベントが電磁ニュートリノ、γ線、超高エネルギー宇宙線は類似したシャワーではなく、多くの中間子生成を伴うハドロン起源を共有しているのかもしれません。PeV 領域以上にシャワーであることを示唆します。ハドロンシャワーで伸びる宇宙ニュートリノスペクトル観測は、この３者をは、20 GeV 程度のミューオンを数十個放出するからでつなぐ鍵になるでしょう。アジサイイベントをより多数す。Wボゾン崩壊分岐比にして68%がハドロンシャワー検出するとともに、さらに高エネルギー領域に探索の手を生成するチャンネルであるため、この早い光信号はまを伸ばすことがニュートリノ放射天体を研究するためにさにグラショウ共鳴事象で期待すべきものなのです。

必要です。次世代実験 IceCube-Gen2 が1つの大きな宇宙ニュートリノ起源への示唆チャンスを提供するでしょう。

グラショウ共鳴事象の検出は素粒子標準模型を確認するばかりではなく、天体・宇宙物理の観点からも重要です。なぜなら反電子ニュートリノにのみ関わる反応であるため、PeV 領域における反電子宇宙ニュートリノの量を測定することになるからです。例えば、強い磁場の環境下でニュートリノを生成する場合、シンクトロン冷却によって、ミューオン崩壊からのニュートリノ生成が抑制されます。したがって電子ニュートリノが全体に占める割合は低くなります。ニュートリノ生成機構として陽子・陽子衝突を考えるか、陽子・光子衝突を考えるかで、反電子ニュートリノの割合も変わります。アジサイ事象

図3：Fermi衛星で観測された宇宙γ線、IceCube で観測された宇宙ニュート
リノ、Auger 及び TA 実験で測定された宇宙線のエネルギーフラックスをまとめた。超高エネルギー宇宙ニュートリノ量の上限値も青実線で示している。
エネルギー流量は３者でだいたい同じであるが、超高エネルギー宇宙線が陽子だとすると、ニュートリノとγ線の測定結果を説明できる自明な天体候補はないことが知られている。

What's New

最近の主な論文

本センターから最近出版された主要な論文です

・ASAS-SN, The Astrophysical Multimessenger
Observatory Network, Fermi, HAWC, LCO, MASTER,Swift, VERITAS, IceCube Collaboration: A. Ishihara,T.
Kuwabara, L. Lu, K. Mase, M. Relich, A. Stößl, S. Yoshida,et al. ; Multiwavelength Follow-up of a Rare IceCubeNeutrino Multiplet, Astronomy and Astrophysics, 607,A115, DOI: 10.1051/0004-6361/201730620, (2017)
・IceCube Collaboration; A. Ishihara, T. Kuwabara, L. Lu,K. Mase, M. Relich, S. Yoshida, et al. ; Extending theSearch for Muon Neutrinos Coincident with GammaRay Bursts in IceCube Data, Astrophysical Journal,843, 112; DOI: 10.3847/1538-4357/aa7569, (2017)
・IceCube Collaboration; A. Ishihara, T. Kuwabara, L.
Lu, K. Mase, M. Relich, S. Yoshida, et al. ; Search forSterile Neutrino Mixing Using Three Years of IceCube
DeepCore Data, Physical Review, D95,112002; DOI:
10.1103/PhysRevD.95.112002, (2017)

・Y. Matsumoto, T. Amano, N. Kato, M. Hoshino, Electron
Surfing and Drift Accelerations in a Weibel-dominated
High-Mach-number Shock, Physical Review Letters,119, 105101, DOI:10.1103/PhysRevLett.119.105101,(2017)
・H. Hotta, Solar Overshoot Region and Small-scale
Dynamo with Realistic Energy Flux, The AstrophysicalJournal, 843, article id. 52, 12 pp, DOI:10.3847/15384357/aa784b, (2017)
・T. Hanawa, T. Kudoh, K. Tomisaka, Fragmentation ofa Filamentary Cloud Permeated by a Perpendicular
Magnetic Field, The Astrophysical Journal, 848, Issue 1,article id. 2, 12 pp, DOI:10.3847/1538-4357/aa8b6d,(2017)

Information

01 ICEHAP 主催公開講演会

最近のA R A

第4回「Cosmic Café」のご報告
2017年10月22日（日）、あいにくの台風による悪天候でしたが、第4回「Cosmic Cafe」が開催されました。ひどい雨の中にも関わらず、講演には多くの人が来てくださり、カフェタイム
では、子供たちも一緒に実験をしたり、ショーを楽しんだり、スプレーアートの体験もしました。足元の悪い中、来てくださった皆様、本当にありがとうございました。

02 SUMMER SEMINAR
2017年8月21日～25日に、宇宙磁気流体・プラズマシミュレー
ションサマーセミナー[SS2017]が開催されました。

03 Message from Achim
先日任務を終えたアヒム研究員からのメッセージです
Since I arrived at Chiba one and a half year ago

conversations, and sometimes you even find anand I joined the group I could gain lots of valuable

unexpected solution to a problem which wasexperience: I was lucky to join the group at a timebothering you all week.

where we were establishing a new lab and I am

Of course, working in Japan means also to be aware

happy that I could help with the instrumentationof cultural differences for somebody coming fromand at the same time learn a lot about detector

Europe, and sometimes misunderstandings cancomponents, data readout and how to set up

occur however by trying to understand each otherexperiments. During my time in Chiba I was working

this helps to learn about each other and about

for IceCube-Gen2, which is a proposed extension

oneself.

of the ICEHAP experiment, a cubic kilometer sized

I wish all the best success for the further work ofneutrino detector at the South Pole.

the ICEHAP team and hope that there are many

Helping to investigate and test new detector

more discoveries and interesting new sensor

components was a fun work, and a big part ofdevelopments. I also want to use the opportunity

the good experience was also the work as a teamto thank everybody in the group very much forwhere we often found solutions together. Besides

giving me the opportunity to have an exciting time

my work, I was lucky to enjoy a bit of travel aroundin Japan, their kindness and the good working

Japan, and I will never forget the breathtaking viewatmosphere. I certainly will find my way back tofrom the top of Mount Fuji or the thousands ofJapan and hope very much to see you all again!

red torii I was walking through at the Fushimi Inari

1月に約１か月間南極に滞在したシモン特任研究員からARA 実験の近況報告です

先日南極を訪れ、新しい ARAステーションを設置し、データを収集するための準備を行いました。下の写真は、作業をするための配備小屋の1つで、私たちは「クリスタル・パレス」と呼んでいます。この小屋は新しいARAステーションの近くにあり、南極点にあるステーションからは約7キロ離れた場所にあります。私たちは、較正アンテナをこの小屋の下に開けられた穴に降ろす作業をしました。小屋の中は寒いと思うでしょうが、天気の良い日はグリーンハウスのように暖かくなり、コートを脱ぎたくなるほどです。小屋から伸びたケーブルが雪の中にうまっているのが見えるでしょうか。穴から175メートル下まで降ろすために、ケーブルを雪の中から掘り出す必要があります。これがまた重労働なんです！

Achim Stoessl

shrine in Kyoto.
Definitively worth mentioning and in my opinion
one of the most enjoyable things about Japanese「クリスタル・パレス」と呼ばれる小屋

culture are rich opportunities to enjoy food anddrinks together at some nice Izakaya in the evening.

最近のセンター長And luckily - at least in my humble opinion Japanese food is among the most delicious cuisines
in the world, so it was always a pleasure.
Also, Izakaya outings are a very nice opportunity
to bond with your working group over inspiring

研究室で作業中の1枚。

久々のスキーで筋肉痛になりましたが、1日で治った
点に光明が見えました。

千葉大学大学院理学研究院附属 ハドロン宇宙国際研究センター
International Center for Hadron Astrophysics, Graduate School of Science, Chiba University

International Center for Hadron Astrophysics

Apr. 2018 no.8

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発行：2018年4月1日／発行人：吉田 滋・石原 安野／編集：高橋 恵（ICEHAP）／デザイン：荒木 未来／校正：片岡 聡（Haruniresha.Inc）© ICEHAP. All Rights Reserved. 本誌掲載の写真・図版・記事等の無断複写・転載を禁じます