宇宙線生成核種分析による宇宙線イベントの研究
Research of Cosmic Ray Events using Cosmogenic Nuclide Analysis

笹 公和
Kimikazu SASA
筑波大学 数理物質系物理学域 /研究基盤総合センター応用加速器部門
宇宙史センタークォーク・核物質研究部門(宇宙元素合成分野) 連携教員

Tandem Accelerator Complex,
Department of Physics, University of Tsukuba
2020年11月30日 宇宙史センター 成果報告&交流会

共同研究者
名古屋大学：三宅芙沙，菅澤佳世
国立極地研究所：本山秀明
弘前大学：堀内一穂
東京大学：松崎浩之

Outline
1. Introduction： 宇宙線イベント（SEPイベント）- AD774/775, AD 994, BC5480 の宇宙線強度増大

2. 宇宙線生成核種

地球史・人類史の年代指標- 10Be, 14C & 36Cl
- 核種検出： 6 MVタンデム加速器質量分析装置

3. 宇宙線生成核種分析による宇宙線イベント発生メカニズムの解明に向けて
4. SummarySolar Energetic Particle Event

太陽面の爆発太陽フレア・コロナ質量放出。
太陽系最大の爆発現象。
膨大なX線、ガンマ線、高エネルギー粒子(SEP)が発生。
フレア

SEPの急増として観測される現象⇨ 1940年代以降：地上間接観測⇨ 1960年代以降：衛星直接観測
1956年 地上で観測された最大のSEPイベント⇨地上中性子計で大幅な放射線増加を観測
問題点: 1940年代以前のデータなし

コロナ質量放出

磁力線

SEP

地球

樹木年輪に記録された過去の超巨大SEPイベント
2012年以降に名古屋大学の三宅らにより、過去1万年程度の間に、未知の宇宙線強度増大現象が3つあったことが発見された！
宇宙線で生成された屋久杉年輪中の14C濃度の増大より• AD774/775 イベント : Nature, 2012
• AD994イベント:
Nature Commuications, 2013
• BC5680イベント:
PNAS, 2017
キャリントンイベント(1859年)より2桁以上強い宇宙線強度？
詳細な原因が不明？
• 超新星爆発• ガンマ線バースト• SEPイベント（太陽面爆発）
未知の太陽活動の解明

樹木年輪に記録された過去の超巨大SEPイベント
過去1000年で2回の巨大イベント

樹⽊年輪
炭素14濃度変動

2度の急増
Miyake et al. 2013

屋久杉の年輪

1年輪単位の炭素14連続測定から発⾒
西暦774/775年イベント (Miyake et al. Nature 2012)
西暦993/994年イベント (Miyake et al. Nat Commun 2013)
世界各地の樹⽊の14C, 氷床コアの10Be,36Cl分析などでも検証
原因は超巨大SEPイベント
規模は観測史上最⼤SEPイベントの数十倍

樹木年輪に記録された過去の超巨大SEPイベント

BC5480年イベント
新しいタイプの14C急増加

20‰

20‰！
10 年

BC5480年の14C大増加

完新世最大級の増加
Miyake et al., PNAS (2017)

未知の太陽活動？
• 1年での増加ではないが、他の14C変動より明らかに急激な変化！
• 複数のSEPイベントを反映？ Or 特殊な太陽磁場活動（磁場ゼロ）？

2. 宇宙線生成核種- 10Be, 14C & 36Cl
- 核種検出： 6 MVタンデム加速器質量分析装置

宇宙線生成核種(Cosmogenic nuclide)の生成
エアシャワー（二次宇宙線）
中性子，ミューオンなど．
エアシャワーによる粒子群．

α-particles(~12%)

Heavier
nuclei andElectrons(<1%)
Protons(~87%)

Components of GCR

1 TeV (1012 eV) のプロトンが対流圏（~20 km）に突入
AIRES(AIR shower Extended Simulations)

2次宇宙線と大気元素（N，O，Ar）との相互作用(自然界での原子核変換)
neutronprotonSecondly cosmic ray
3n
16O (8p, 8n)

連鎖反応

10Be (4p, 6n)4p
16O(n, 4p 3n)10Be
14N(n, p)14C
40Ar(p, n )36Cl

拡散・循環

Cosmogenic nuclides (宇宙線生成核種)
10Be（1.36  106 yr）
14C（T1/2 = 5,730 yr）
36Cl（3.01  105 yr）

同位体比～10-15

天然試料に記録される宇宙線イベント
銀河宇宙線・SEP

銀河宇宙線、SEP(SolarEnergitic Particle)による宇宙線⽣成核種（14C,10Be, 36Cl…）⽣成
樹⽊年輪、氷床など天然試料に保存される

⼤気

Usoskin2017

⼤気との核反応

14C

10Be
36Cl

降⽔・降雪など

氷床

14CO

2

炭素循環

巨⼤SEPイベント
1年以下の宇宙線⽣成核種濃度の急増として記録

筑波大学 6 MVタンデム加速器(2016)

宇宙線環境に関する研究装置••

宇宙線環境模擬試験装置
加速器質量分析装置：宇宙線生成核種の同位体比1010から1016の検出
14C（T10626
5
1/2 = 5,730 yr）， Be（1.36  10 yr）， Al （7.17  10 yr），36Cl（3.01  105 yr），41Ca （1.03  105 yr），129I （1.57  107 yr）等

宇宙線環境に関する研究装置の開発
宇宙線環境模擬試験装置

加速器質量分析装置

低LET領域での国内唯一の専用試験装置• LET： 2～50 MeV/(mg/cm2)の範囲を供給• 照射粒子強度：102～104 ions/cm2/s• 大面積均一照射粒子（均一度90%以上，57×57 mm2)
宇宙関連機器の放射線による誤動作リスクを最小限にするため、事前の宇宙放射線環境下でのデータを取得！

Csスパッタ負イオン源

極微量核種検出ライン

5枚電極ガス E-E 検出器

10Be検出スペクトル6MVタンデム加速器質量分析装置による宇宙線生成核種検出
ビーム輸送効率~90%

国内最大の質量分析専用装置
極微量核種検出ライン
10Be, 14C, 36Cl等の検出

負イオン生成安定同位体イオン計測(9Be, 12C, 13C, 35Cl, 37Cl等)

加速及び同重分子の分離6MVタンデム加速器質量分析装置による宇宙線生成核種検出
10Isotopes

14Be
626

C

Half-life (yr)1.36×10

Stable isotopes

9Isobars

10Chemical form

BeO

Graphite, CO2Sample size (mg)0.5

0.1 - 1

5,730
12Be
7B

1327131426

Li2, CH2, CH, N

Injected ion

7.17×10

C, C

12C

BeO

36Al



541

Cl

3.01×10Al35Mg

36537

Cl, Cl129

Ca

1.03×1040

425

1.57×1043

44

Ca, Ca, Ca, Ca

Ar, S

Al2O3

AgCl

CaF2

AgI21102K



Al

CaF3ClXe40-5 ( BeO )10 - 50 ( C )0.2 ( Al )10 ( Cl )

0.5 ( CaF3 )Terminal Voltage (MV)

6.0

5.0

6.0

6.0

6.0

Detected ion (Stripper)

10-3+Be (gas)1214-4+C (gas)2726-5+

Al (gas)

35

36-8+

Cl (foil)

41

127 -

5 (5+Ca (foil)

129 5+

I (gas)

20.3

25.0

36.0

54.0

32.5

30.0

Transmission (%)

1540

25

108

10

Measure/Known (%)

80



75

70

5090

Precision (%)

20.2 (Graphite)
0.4 (CO2)2231

15< 2  10< 2  10-16< 5  10(Graphite)-15(CO2)< 1  1016

< 3  1015

< 3  10I)

5.0

Beam Energy (MeV)

Background (atom ratio)

7I129

Typical ion current (A)

912741



36l

15

< 2  10

14K. Sasa et al., Nucl. Instrum. Methods
Phys. Res. B 437 (2018) 98.

全核種対応型AMS装置

3. 宇宙線生成核種分析による宇宙線イベント発生メカニズムの解明に向けてDome Fuji ice core, Antarctica
研究に使用するサンプル
The 2nd Core:3028.54 m long
Drilled at 2005-2007

720 kyr

Location: 39˚42’E, 77˚19’S,
3810 m a.s.l.

Motoyama, 2007. Sci. Drill. 5, 41-43.

10Be:
36Cl:• 分析の分解能
 10Be : 約1年
 36Cl : 約5年

東京大学・弘前大学・名古屋大学
筑波大学・名古屋大学• 1試料あたりの重量 ～25g
2.5cm

宇宙線増加イベントの原因特定 14C / 10Be
γ線起源による宇宙線生成核種

原因候補
SEPイベント
超新星爆発
γ線バースト（彗星衝突）
起源宇宙線
陽子 vs γ線
Pavlov et al. 2013

γ線が光核反応で生成する二次中性子•

中性子捕獲（14C）が起こす核破砕反応（10Be）

14C/10Be: 陽子とγ線起源で異なる→14C/10Be: ~400-800 (γ線イベント)⇔ ~ 50 (SEPイベント)• 氷床コアにおける10Be増加の検出：γ線起源ではないことを意味

地球に降り注ぐ高エネルギー粒子: GCR & SEP
SEP
ＳＥＰ
太陽面爆発による高エネルギー粒子

効率的に宇宙線⽣成核種を⽣成するエネルギー
⼤規模なSEPイベントは⼗分な核種⽣成に寄与

GCR
銀河宇宙線Proton

Miyake et al. 2019高エネルギー陽子による14C, 10Be & 36Cl の生成
F.Mekhaldi et al.,Nature Communication, 8861.(2015)

Cosmogenic nuclides

Solar proton

10100

1000

Proton14C, 10Be, 36Clの生成率が変化！

Energy[MeV]高エネルギー陽子による10Be と 36Cl の生成
10Be

36Cl

Half-life

1.36 106 yr

3.01  105 yr

StableProduction

9Be

35Cl,37Cl

14N (n, pα) 10Be

40Ar (p, nα)16O (n, 4p3n)

36Cl

10Be

35Cl (n, γ) 36Cl

SEP・宇宙線イベント

36Cl/10Be ratio

SEP 1956/2/23

1.2

SEP 2005/1/20

1.5

36Ar (n, p) 36Cl
39K (n, α) 36Cl

10Be36Cl

F.Mekhaldi et al., 36Cl/10Be
Nature Communication, 8861.(2015)

Solar proton

AD774/775宇宙線イベントにおける10Beと36Cl

Average
Average(8.25)

×

2.2

4 years
4 years

36Cl/10Be = 0.8 ± 0.2

予測値より低い！
（年分解能の精度が必要？）
×44years
years
AverageAverage(0.97)

1.7

BC5480年宇宙線イベント

5473 BC
14C測定結果(1or2年分解能)
IntCal13（5年分解能）5481 BC

Miyake et al. (2017)• カリフォルニアのbristlecone pineの年輪中14Cを測定• 5481BCから5473BCにかけて、Δ14Cが8年で17.0‰増加＝極小期と同程度の増加量

Summary
1. 過去1万年程度の間に，太陽面爆発が原因と推定される巨大な宇宙線強度増大（宇宙線イベント）が3回発生しており，人類活動の継続の為にも，その原因究明が求められている。
2. 宇宙線生成核種10Be, 36Clの生成率から太陽面爆発による陽子エネルギー推定を試みる研究が始まっている。
3. ＡD774/775宇宙線イベントでは，14Cの他に 10Be と 36Clの増大が確認されており，生成比率から太陽面爆発による陽子に起因している可能性が高い。
4. BC5480宇宙線イベントでは， 36Clには 10Beと同期した増加は見られなかった。イベントの原因としては、銀河宇宙線強度の急増，大規模SEPイベントの発生，γ線イベントの可能性が残されている。
5. 今後，高い年分解能度(1年単位)での宇宙線生成核種 10Beと36Cl分析の検討を進めている。

Thank you for your kind attention !

6 MV Tandem Accelerator System since 2016
Acknowledgements
筑波大学研究基盤総合センター応用加速器部門
共同研究者
名古屋大学：三宅芙沙，菅澤佳世
国立極地研究所：本山秀明
弘前大学：堀内一穂
東京大学：松崎浩之
科研費 基盤研究 (S) 20H05643
科研費 基盤研究 (A) 19H00706