最高エネルギー宇宙線

目次
Telescope ArrayとPierre Auger Observatory• TA 4計画と拡張TA• TA史上最高エネルギー宇宙線• 今後•

高エネルギー宇宙線研究部門／TA実験前代表
荻尾 彰一
1

予習をするならグラフ用紙（片対数グラフ用紙）に手書きでプロットする実習をします。
データ点と用紙は次ページに貼り付けておきます。
グラフ用紙への手書きプロットについて、不慣れな方は以下を参考に
https://jikken.ihe.tohoku.ac.jp/science/advice/make-graphs.html

2

実習で使うデータとグラフ用紙（グラフ用紙はA4に印刷すると良いです）
log(E/eV) J [eV^{-1} m^{-2} sr^{-1} s^{-1}]
18.25
3.434e-31
18.35
1.625e-31
18.45
18.55
18.65
18.75
18.85
18.95
19.05
19.15
19.25
19.35
19.45
19.55
19.65
19.75
19.85
19.95
20.05
20.15

7.378e-32
3.508e-32
1.724e-32
8.445e-33
4.636e-33
2.468e-33
1.376e-33
7.481e-34
4.136e-34
2.111e-34
9.884e-35
5.634e-35
2.720e-35
1.827e-35
7.745e-36
2.475e-36
1.568e-36
1.233e-37

20.25

1.931e-373最高エネルギー宇宙線研究で解明したいこと
・大きなエネルギーはどこまで？
・その仕組み＝宇宙最大の高エネルギー現象とは？

①そのエネルギーは？

②その源は？

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

5

①そのエネルギーは？

②その源は？

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

6

大きなエネルギーはどこまで？
観測史上最高エネルギーは300,000,000,000,000,000,000eV= 3かける10の20乗= 320
10最高エネルギー
宇宙線

①そのエネルギーは？

②その源は？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

8

①そのエネルギーは？

②その源は？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

9

①そのエネルギーは？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）②その源は？

？わかっていません

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

10

候補は考えられているでしょ？
3 1020 eVは、とんでもない高エネルギーなので、候補となる宇宙現象は限られている（宇宙物理学の常識では…）

11

銀河と銀河の衝突衝突しているNGC4038(左)とNGC4039(右)①そのエネルギーは？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）②その源は？

？わかっていません
候補は銀河と銀河の衝突、など最高エネルギー宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

13

①そのエネルギーは？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）②その源は？

？わかっていません
候補は銀河と銀河の衝突、など

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

14単位時間、単位面積、単位立体角、単位エネルギー幅、あたりの宇宙線到来数＝エネルギースペクトル

実際にグラフをプロットしてみよう！

15

どれくらいの頻度でやってくる？
300,000,000,000,000,000,00 eVというとんでもない高エネルギー粒子
2
到来頻度は、1km に100年に1個←とても少ない！
16

21,000km ってどれくらい？

①東大柏キャンパス
②文京区③柏市④東京23区⑤琵琶湖

2
0.2 km

11 km22110 km
630 km2
2700 km17

①そのエネルギーは？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）②その源は？

？わかっていません
候補は銀河と銀河の衝突、など

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

とても少ない！
〜1km2に100年に1個
18①そのエネルギーは？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）②その源は？

？わかっていません
候補は銀河と銀河の衝突、など

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

④どうやってつかまえる（見る）？

とても少ない！
〜1km2に100年に1個
19どうやってつかまえる（見る）？
１個の高エネルギー宇宙線衝突して、2次粒子を生成する

空気中の原子核と空気の厚さにして100g/cm2 進むごとに粒子を多重（５個くらい）生成（ざっくりすぎる説明だけど）20

どうやってつかまえる（見る）？
１個の高エネルギー宇宙線

多数の放射線

大気上空で1020eVの宇宙線
大気の底で1000億個の放射線「空気シャワー」
大気の底＝地上に到来するこれらの粒子たちをとらえればよい21どうやって捕まえる（見る）？
方法①
地上に落ちてきた空気シャワー粒子をつかまえる
放射線検出器を地上にならべる22

どうやって捕まえる（見る）？

23

どうやって捕まえる（見る）？
方法①
地上に落ちてきた空気シャワー粒子をつかまえる
放射線検出器を地上にならべる24

どうやって捕まえる（見る）？
方法②
このあたりの空気が光る
大気の発光を検出する
夜空の写真を撮る（撮りまくる）

25

どうやって捕まえる（見る）？

方法②
このあたりの空気が光る大気の発光を検出する

26

どうやって捕まえる（見る）？
方法②
このあたりの空気が光る
大気の発光を検出する
夜空の写真を撮る（撮りまくる）

27

２つの方法の比較
••

•

•

•

• 4

•
•

&

•

28

①そのエネルギーは？

= 3 1020eV
可視光より20桁以上大きい（観測史上最高記録）②その源は？

？わかっていません
候補は銀河と銀河の衝突、など

最高エネルギー
宇宙線③どのくらいの到来頻度？

とても少ない！
〜1km2に100年に1個④どうやってつかまえる（見る）？

空気シャワーを捕まえる！
29

宇宙線望遠鏡実験（TA実験）• 日本、米国、ロシア、韓国、ベルギー、チェコ、スロベニア、ポーランド• 3５研究機関、約140人の共同研究者• 2003年から建設開始、2008年完成• アメリカ合衆国ユタ州南西部

30

宇宙線望遠鏡実験（TA実験）   
31

宇宙線望遠鏡実験（TA実験）
SALT LAKE CITY






~200 km
 DELTA

AREA of TA Exp.

32

Telescope Array (TA) : UHECR observatory
in the northern hemisphereE2.5 J(E)TA (2008 - ): 700km2
AGASA (1991-2004): 100km2
Auger (2004 - ): 3,000km2

Target energy range
covered by TA and TALE

33

Telescope Array

面積 ~700 km234

Telescope Array

面積 ~700 km235

B. Dawson, VHEPU2018

Pierre Auger Observatory
The Pierre Auger Observatory

70

Loma Amarilla

[km]
60

HEAT50

Coihueco

UHE Exposure

24 km

Auger Anisotropy ICRC17: 9.0⇥104 km22 sr yr

240

XLF

Auger Spectrum ICRC17: 6.7⇥104 km2 sr yr

BLF

30

CLF

LosMorados20

TA Spectrum ICRC17:0.8⇥104 km2 sr yr

3000 km2

10AGASA

Los Leones
Exposure dominated by SD array.

Latest Results from the[5 of 36]

036

Published “Hotspot” (5 yr data)
Ap. J., 790, L21(2014)

E > 57 EeV (Observed 72 events)
Events over-sampled using 20o circles

HECR
maps in equatorial coordinates. The solid curves
19 events fall in “Hotspot” centered at α=146.7 , δ=43.2 (Expected = 4.5 events)
signi cance ~5.1σ,chanceprobability
in anisotropic
sky to be 3.4σ
d Li-Ma
supergalactic
plane(SGP).
OurFoVis definedas the◦ec. = −10 . (a) The points show the directions of the 37
fioo38

39

40

©︎

TA実験観測史上最高エネルギー宇宙線
41

Ryuunosuke Takeshige and Toshihiro Fujii (Kyoto University)

2021年5月27日に観測された宇宙線
Date: 20210527 Time: 103556.474337
2010E = 244 ± 29 (stat.) ± 51(syst.) EeV

15S800 = 530 ± 57 (m-2)
天頂角 θ = 38.6°
大気蛍光望遠鏡による観測なし

South to North [km]コア位置から800 mでの粒子数密度

SD116: 2.2 MIP at 3.6 km

50Surface detector array of TA

SD217: 21.8 MIP at 2.3 km

4020100
50200
10010 kmSD316: 19.2 MIP at 2.4 km
SD317: 78.6 MIP at 1.5 km
SD318: 216.9 MIP at 1.3 km

2010SD416: 7.3 MIP at 2.3 km

20SD415: 4.9 MIP at 3.4 km

10200SD417: 393.6 MIP at 1.1 km

54000
2000302010SD418: 5581.2 MIP at 0.3 km
SD516: 12.1 MIP at 2.5 km
SD419: 347.5 MIP at 1.2 km

200SD517: 211.1 MIP at 1.5 km

10004000
2000SD518: 3548.4 MIP at 0.7 km
SD519: 313.0 MIP at 1.2 km

200−54020SD616: 3.6 MIP at 3.1 km

50SD617: 32.9 MIP at 2.2 km

10050−10SD618: 96.8 MIP at 1.7 km

2010−15SD619: 40.3 MIP at 1.9 km

50SD718: 9.7 MIP at 2.7 km

50−15

2008年5月から2021年11月の13.5年のTAの観測運用の中で最もエネルギーの高い宇宙線−10−505West to East [km]1015SD615: 1.8 MIP at 4.1 km

504020−204210 μs

SD620: 8.2 MIP at 2.6 km
SD720: 13.4 MIP at 3.2 km
SD820: 4.6 MIP at 4.0 km

40205101520

Relative time [μs]

2530

©︎

43

2021年5月27日の早朝 4時35分56秒

Ryuunosuke Takeshige and Toshihiro Fujii (Kyoto University)この事象固有のエネルギー分解能の評価
44
QGSJetII-04のシミュレーションによる横方向密度分布

エネルギー決定精度評価（大気蛍光望遠鏡のエネルギーへ変換後）
81076210TA SDSaturated
S800

1210321054310104

陽子~8%χ2 / ndf
Constant
MeanSigma

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

遠鏡でのエネルギーに変換すると244 EeV

同じ到来方向と同じエネルギーを仮定してこce detectors and this difference is compensated by the calibration factor.の事象固有のエネルギー分解能を評価した

hin its uncertainty. In Fig. S2 we show flux maps for energies 244 EeV, 186 EeV and

5 EeV, the latter two energies being

2 stat. and2 stat.

syst. , respectively.

The in-11.03 / 179.141 ± 1.466
285.5 ± 1.6
14.24 ± 1.74

20Energy (EeV)

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340
Energy (EeV)

TimeE(UTC) (EeV)
2021/05/ 10:35:56
244DaySDでの再構成エネルギーは310 EeV、大気蛍光望

studied a change in the expected LSS flux distribution as we vary the energy of the event

6鉄~5%

χ2 / ndf
Constant
MeanSigma

4ure S1: The lateral density distribution and fitted result of the highest energy event observed
TA SD. The gray triangles are excluded from the fitting due to the signal saturation. The red
mond shows an energy estimator of TA, called S800 .

mpact of energy uncertainty on the expected picture of sources

108Distance from shower axis (m)rgy scale is unchanged because we adopt the calorimetric energy calibrated by the fluores-

8.494 / 21
6.13 ± 0.92
257.1 ± 2.8
21.68 ± 2.69

Entries

103

Entries

Particle density (m-2)

104

1
2
3

27
2014/06/
15:32:41
18
2016/05/
07:02:03
23

176
172

銀河磁場での曲がり角を補正
45NGC6946（5.9 Mpc）

FeJF2012 SiCPFe
SiPT2011
硬Ｘ線やガンマ線は未検出

過去にフレアがある活動銀河核
Calculated by R. Higuchi

GZK限界のため到来できない近傍天体分布から期待される異方性ボイド（空洞）領域付近から到来♦︎47★ Starburst galaxies
Active galactic nuclei

ホットスポットとも異なる方向♦︎TAとAugerの100 EeV以上の到来方向分布
48★ Starburst galaxies
Active galactic nuclei
TA 13.5 years,
Auger 17 years
arXiv:2206.13492
accepted for
publication in ApJS
Augerの最高エネルギーは165.5 EeV

超銀河面に集中せず、等方的に分布している

>50 EeVでの到来方向分布
49
Cutoff (ETA>52.3 EeV EAuger>40 EeV)

T. Fujii et al., PoS (ICRC2021) 291(2020), arXiv: 2107.02949

中角度スケール（~25度）での異方性（hot/warm spots）が報告されている
超銀河面に沿って宇宙線の到来数の過剰が見られる → 天体起源を示唆
100 EeVでは等方的に分布 → 50 EeV以上とは別の起源かもしれないSmartrelativelocation
tooPierreAugerObservatoryandTelescopeA
今後：TA×4, AugerPrime

HECR Datasets

Telescope Array (TA)Delta, UT, USATelescope Array
239.3700
N km,112.9
W507 detector stations,36 fluorescence telescopes

erre Auger Observatory (updated)

TA 41000 scinti. SDs
Directional ex
2,800 km2 + 48 FDs Relative exposure of

324 events above 52 EeV recorded from01/01/2004 to 30/04/2017 with zenith < 80°-+90 events with respect to ICRC 2017

“commo-15˚Angular resolution ~0.9°

lescope Array (updated)
143 events above 57 EeV recorded from11/05/2008 to 01/05/2017 with zenith < 55°
PierreAugerObservatory- +34
eventswith respect to ICRC 2017
Province Mendoza, Argentina
1660 detector stations, 3000 km2
27 fluorescence telescopes

Angular resolution ~1.5°

Auger Prime
1660 water tank+scinti.+antenna
SDs s467
events
with
fullTogether 2full sky coverage: perfect for a
3,000 km + 27 AugerFDs(ϑ: 0-80˚)+=50

Backup51