「宇宙の最高エネルギー粒子生成源へ手がかり」- 最高エネルギー宇宙線のホットスポットの兆候 川田 和正（東京大学 宇宙線研究所 特任助教）
佐川 宏行（東京大学 宇宙線研究所 准教授）
福島 正己（東京大学 宇宙線研究所 教授）
荻尾 彰一（大阪市立大学 大学院理学研究科 准教授）
テレスコープアレイ実験グループ

プレスリリース 2014年7月8日@東京大学 本郷キャンパス 山上会館

５カ国・３０機関・１２６名(内７５名が日本機関に所属)

日本・アメリカ・韓国・ロシア・ベルギー

テレスコープアレイ実験 共同研究者
R.U. Abbasi1, M. Abe13, T.Abu-Zayyad1, M. Allen1, R. Anderson1, R. Azuma2, E. Barcikowski1, J.W. Belz1,D.R. Bergman1, S.A. Blake1, R. Cady1, M.J. Chae3, B.G. Cheon4, J. Chiba5, M. Chikawa6, W.R. Cho7, T. Fujii8,
M. Fukushima8,9, T. Goto10, W. Hanlon1, Y. Hayashi10, N. Hayashida11, K. Hibino11, K. Honda12, D. Ikeda8,N. Inoue13, T. Ishii12, R. Ishimori2, H. Ito14, D. Ivanov1, C.C.H. Jui1, K. Kadota16, F. Kakimoto2, O. Kalashev17,
K. Kasahara18, H. Kawai19, S. Kawakami10, S. Kawana13, K. Kawata8, E. Kido8, H.B. Kim4, J.H. Kim1, J.H. Kim25,S. Kitamura2, Y. Kitamura2, V. Kuzmin17, Y.J. Kwon7, J. Lan1, S.I. Lim3, J.P. Lundquist1, K. Machida12, K. Martens9,T. Matsuda20, T. Matsuyama10, J.N. Matthews1, M. Minamino10, K. Mukai12, I. Myers1, K. Nagasawa13,
S. Nagataki14, T. Nakamura21, T. Nonaka8, A. Nozato6, S. Ogio10, J. Ogura2, M. Ohnishi8, H. Ohoka8, K. Oki8,
T. Okuda22, M. Ono14, A. Oshima10, S. Ozawa18, I.H. Park23, M.S. Pshirkov24, D.C. Rodriguez1, G. Rubtsov17,D. Ryu25, H. Sagawa8, N. Sakurai10, A.L. Sampson1, L.M. Scott15, P.D. Shah1, F. Shibata12, T. Shibata8,H. Shimodaira8, B.K. Shin4, J.D. Smith1, P. Sokolsky1, R.W. Springer1, B.T. Stokes1, S.R. Stratton1,15, T.A. Stroman1,T. Suzawa13, M. Takamura5, M. Takeda8, R. Takeishi8, A. Taketa26,M. Takita8, Y. Tameda11, H. Tanaka10,K. Tanaka27, M. Tanaka20, S.B. Thomas1, G.B. Thomson1, P. Tinyakov17,24, I. Tkachev17, H. Tokuno2, T. Tomida28,S. Troitsky17, Y. Tsunesada2, K. Tsutsumi2, Y. Uchihori29, S. Udo11, F. Urban24, G. Vasiloff1, T. Wong1, R. Yamane10,H. Yamaoka20, K. Yamazaki10, J. Yang3, K. Yashiro5, Y. Yoneda10, S. Yoshida19, H. Yoshii30, R. Zollinger1, Z. Zundel1
1 University of Utah 2 Tokyo Institute of Technology 3 Ewha Womans University 4 Hanyang University
5 Tokyo University of Science 6 Kinki University 7 Yonsei University 8 ICRR, University of Tokyo
9 IPMU, the University of Tokyo 10 Osaka City University 11 Kanagawa University 12 University of Yamanashi
13 Saitama University 14 Astrophysical Big Bang Laboratory RIKEN, Wako 15 Rutgers University
16 Tokyo City University17 INR of the Russian Academy of Sciences 18 Waseda University
19 Chiba University 20 KEK 21 Kochi University 22 Ritsumeikan University 23 Sungkyunkwan University
24 Universite de Libre de Bruxelles 25 Ulsan National Institute of Science and Technology
26 ERI, University of Tokyo 27 Hiroshima City University 28 Advanced Science Institute, RIKEN
29 National Institute of Radiological Science 30 Ehime University

発表の流れ• 最高エネルギー宇宙線• 本研究の目的• テレスコープアレイ実験• 研究成果（ホットスポット）• 研究成果の解釈• まとめ

宇宙線From NASA web pagev 宇宙を飛び交う高エネルギー放射線- 主成分は陽子v 1912年にビクター・ヘスにより発見- 気球に乗って上空ほど放射線強度が高いことを発見- ノーベル賞受賞（1936年）

宇宙線発見以来100年の謎
どこで、どのように生成され？
どこで、どのようにエネルギーを獲得するのか？

宇宙線v 広いエネルギー範囲

宇宙線の到来頻度v １桁エネルギーが上がると頻度は1/100v 低エネルギー領域の宇宙線- 銀河系内の超新星残骸(星の爆発後の残骸)で生成されている間接的証拠はあり
超新星残骸

108

1012

1016

エネルギー(電子ボルト)1020

最高エネルギー宇宙線

宇宙線の到来頻度

最高エネルギー宇宙線v 広いエネルギー範囲v １桁エネルギーが上がると頻度は1/100v 最高エネルギー領域の宇宙線- 10km✕10kmの範囲に１個／年- 非常に観測が困難- 存在自体が宇宙物理の謎の一つ

巨大な天体爆発や
108

1012

1016

エネルギー(電子ボルト)

1020

ブラックホールから吹き出すジェット？

最高エネルギー宇宙線
最高エネルギー宇宙線

宇宙線の到来頻度

人工加速器の限界(LHC)
108

1012

陽子加速器
磁場で閉込め
高周波電場で加速

LHC＠セルン・スイス

1020電子ボルト(eV) =1016

エネルギー(電子ボルト)

1020

人工加速器で生成できるビームエネルギーの1000万倍本研究の目的

宇宙のどこかにある最強加速器の探査

活動銀河の高エネルギーのジェット（ケンタウルス座A）ESO/WFI (visible); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (microwave); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray)）宇宙のどこかにある最強加速器の探査
ガンマ線バースト
イメージ図 (ES0)

衝突する銀河団
STScI, U. Arizona, CfA, CXC, NASA

なぜ最高エネルギー宇宙線なのか？
宇宙線は電気を帯びている

最高エ
宇宙線の生成源

ネルギー宇宙線v 低エネルギー宇宙線 à 磁力で簡単に曲げられるà等方的にやってくるv 最高エネルギー宇宙線 à 磁力に負けずに直進àホットスポットを見つけやすい発表の流れ• 宇宙線（最高エネルギー宇宙線）• 本研究の目的• テレスコープアレイ実験• 研究成果（ホットスポット）• 研究成果の解釈• まとめテレスコープアレイ実験v アメリカ・ユタ州 荒野32kmv 地表粒子検出器アレイ- 3m2 シンチレータ検出器- 507台を 1.2km間隔- 約700平方キロメートルを覆うv 大気蛍光望遠鏡- 3ステーション- 12望遠鏡／ステーション28km

テレスコープアレイ実験v アメリカ・ユタ州 荒野v 地表粒子検出器アレイ- 3m2 シンチレータ検出器- 507台を 1.2km間隔- 約700平方キロメートルを覆うv 大気蛍光望遠鏡- 3ステーション- 12望遠鏡／ステーション

何を検出するのか？
宇宙線が大気中で作る空気シャワーを検出
宇宙線が大気に入射すると大気中の原子核と相互作用し多数の二次粒子を発生² 最高エネルギー宇宙線は大気中で１０００億個以上の粒子を発生² 地上では数キロメートルの範囲に広がる

astro.uchicago.edu/cosmus/projects/aires(Simulated by AIRES)

空気シャワー中の粒子が大気中の窒素分子を励起したとにき放射する大気蛍光を観測する

通信アンテナ

ソーラーパネル（１ｍ×１ｍ）

東京都23区より広い領域に1.2km間隔で設置- シンチレータ- データ収集装置- ソーラーシステム- 無線LAN通信à 完全自立型放射線検出器

シンチレータ
信号の到来時間と大きさを記録

空気シャワー検出事例

５km

上空から見た図半径 ：信号の大きさ
カラー：到来時間 青à早い

赤à遅い

発表の流れ• 宇宙線（最高エネルギー宇宙線）• 本研究の目的• テレスコープアレイ実験• 研究成果（ホットスポット）• 研究成果の解釈• まとめ

最高エネルギー宇宙線の方向
赤緯(度)

視野
赤経(度)

銀河中心
超銀河面：
(わが銀河系を含む)
多数の銀河が集中する面
2008年から５年間観測

天の川：
我々の住む銀河系の星の集まり

星図上の宇宙線の到来方向分布

北半球で最大の72事象を観測

星図について展開星の固定した座標

最高エネルギー宇宙線の方向
赤緯(度)

１９個

視野

赤経(度)

銀河中心

2008年から５年間観測

星図上の特定の場所に集中 19個/72個)(等方的な分布では 平均4.5個/72個)

宇宙線のホットスポット
平均的な宇宙線強度からのズレの度合い赤緯(度)赤経(度)特定方向に最高エネルギー宇宙線のホットスポット
à等方的な分布から偶然に現れる確率：37/10万

ホットスポットの大きさ
平均的な宇宙線強度からのズレの度合い
赤緯(度)

赤経(度)

超銀河面：
(わが銀河系を含む)
多数の銀河が集中する面

直径約40度の範囲に広がる

超銀河面の近く(ずれ19度)

ホットスポットの方向

Background:
DSS2 all sky image

天の川(我々の銀河系)から外れた方向à銀河系の外からやって来た

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

発表の流れ• 宇宙線（最高エネルギー宇宙線）• 本研究の目的• テレスコープアレイ実験• 研究成果（ホットスポット）• 研究成果の解釈• まとめ

生成源までの距離
最高エネルギー宇宙線(>5.7×1019eV)の利点
宇宙背景放射最高エネルギー宇宙線
http://jemeuso.riken.jp

最高エネルギー領域(宇宙の大きさ：約140億光年)v 約1.5億光年より遠くからやってくる宇宙線は宇宙背景放射の光子(ビッグバンのなごり)と衝突してエネルギーを失う
à GZK効果と呼ぶ

最高エネルギー宇宙線は遠方から届かない

宇宙線の生成源を近傍宇宙に限定

生成源の方向最高エネルギー宇宙線(>5.7×1019eV)の利点

宇宙線（陽子）は電気を帯びており銀河系の磁力に曲げられる

最高エネルギー宇宙線は直進性が高い

宇宙線源を特定できる可能性

生成源の候補
John P. Huchra, et al 2012, ApJ, 199, 26
2MASS catalog velocity 0 – 3000 km/s

おおぐま座 銀河団

おとめ座 銀河団

超銀河面：(わが銀河系を含む)
多数の銀河が集中する面

近傍銀河の分布
銀河団：銀河の集団

約1.5億光年以内(宇宙の大きさ：140億光年)

生成源の候補
John P. Huchra, et al 2012, ApJ, 199, 26
2MASS catalog velocity 0 – 3000 km/s

おおぐま座 銀河団おとめ座 銀河団

約1.5億光年以内

近傍銀河の分布
銀河団：銀河の集団(宇宙の大きさ：140億光年)

まとめ• 研究成果– テレスコープアレイ宇宙線観測装置により５年間にわたり最高エネルギー宇宙線を観測– おおぐま座付近の方向にホットスポットの兆候を初めて観測• 今後の展望– 近傍の銀河団に属する天体が最高エネルギー宇宙線の源の候補だが、観測事例を増やして生成源をつきとめ、生成源でおきている極高エネルギー現象との関連を明らかにしていく