宇宙史国際研究拠点の活動報告
数理物質融合科学センター 運営協議会
2017年10月3日
宇宙史国際研究拠点長
受川 史彦 (2017/4 – 2017/9)
金 信弘 (2014/9 – 2017/3)

宇宙史国際研究拠点

３つの部門：
・ 南極天文・ 素粒子構造・ クォーク・核物質

国際テニュアトラック助教
クロスアポイントメント教員
2

宇宙史国際研究拠点 （朝永センター）
目標： 素粒子・原子核・宇宙物理学の融合， 実験・理論の協調

 宇宙史の統一的理解

宇宙史の統一的描像の構築
質量起源・クォークグルオンプラズマ・銀河ブラックホール形成の包括的理解
暗黒物質・暗黒エネルギーの謎の解明

ヒッグス ・ニュートリノ・クォークグルオンプラズマ・ブラックホール・銀河形成を手掛かりとして・ 国際共同研究の推進
・ 研究拠点の形成••••

10-10 秒後
ヒッグス場の凝縮素粒子が質量を獲得
10-4 秒後クォークが結合して核子に１秒後宇宙背景ニュートリノ
１億年
第１世代天体

南極天文学の創成

南極天文部門

南極望遠鏡による暗黒銀河の探査宇宙空間はほぼすべてがプラズマ（電離ガス）。
「プラズマ（電離）化は宇宙暗黒時代の星が発する紫外線による」と考えられている。
しかし、可視光観測*では必要な星（よって銀河）の3割以下しか見つかっていない。
*:すばる、ハッブル宇宙望遠鏡等

138億年→７割以上は行方不明「暗黒銀河」問題
4億年

138億年前可視光は波長が短い→銀河内の固体微粒子（ダスト）で弱くなる
？

ダスト
散乱・吸収

銀河

4

テラヘルツ観測による暗黒銀河の探査
宇宙膨張により遠ざかる

遠方銀河
ドップラー効果

赤外線放射

暗黒銀河
銀河形成
巨大ブラックホール形成
暗黒物質
なぜテラヘルツ波か？

①波長が長い銀河内の固体微粒子（ダスト）をすり抜けて銀河の外へ出る。

！

ダスト

銀
←河の明るさテラヘルツ波・サブミリ波

受信するスペクトルピークが移動

←

銀河の放射
スペクトル暗くなる

明るくなる

暗くなる

電波
赤外線
→周波数

→光

テラヘルツ

サブミリ
②銀河は赤外線で最も明るい ③テラヘルツ波では遠方銀河は宇宙膨張に乗って遠ざかっている遠方銀河
暗くならない！
から放射された赤外線は、ドップラー効果でむしろ明るくなることもある。
地上ではテラヘルツ波となる。

銀河●「暗黒銀河」探索には、テラヘルツ波で観測するのがベスト●スペクトルも決定
・ピークの移動量→銀河の距離を決定
しかし大気中の水蒸気に吸収されて地上では観測できなかった5

南極内陸部は地上唯一の観測場所①南極内陸部：水蒸気の影響が非常に少ない地上で唯一の場所◆高地（3000m～4000m、空気が薄い）◆極寒の地（気温 －20℃～－80℃）→大気中の水蒸気が極めて少ない

昭和基地

夏のみ

・宇宙からのテラヘルツ波が地上で唯一届く
・大気放射（ノイズ）が非常に少ない
・大気が安定夏のみ

越冬基地②越冬基地（ドームＣ）がある→ ここにテラヘルツ望遠鏡を設置し観測すればよい
・口径10m
・超広視野（1度四方＝従来の100倍)
・世界最大の電波カメラ（2万画素）
・高精度
アンテナ主鏡面の凹凸＜0.02mm（髪の毛の太さの約4分の1以下）

コンコルデイア
基地

チリ（ALMAサイト）2012
チリ（ＡＬＭＡサイト）2013

大気中の水蒸気量

10ｍテラヘルツ望遠鏡

欧州

南極高原, 2013
1月1日

2013年

冬

6

建設場所
コンコルデイア基地＠ドームＣ

・フランス・イタリアが共同で運用
・越冬基地（定員16名） （夏は60名）
・設備・運用が非常に優れている。
・重機（130トンクレーン等）あり。

南極10mテラヘルツ望遠鏡の設置を合意

現地調査・協議2016年1月～2月
ダグラス DC3

滑走路

宿泊研究棟

小型望遠鏡群（仏伊）

電力線→

10m望遠鏡
建設候補地推進体制ー南極天文コンソーシアム
院生14
筑波大学 （中井Ｐ,久野Ｐ,新田Ａ,渡邉A,梅村Ｐ,森ＡＰ,吉川Ｌ）

・コンソーシアム代表（中井）・研究統括
・南極天文の提唱・開始（2004～）
・南極内陸部の初の天文環境調査
・極寒（-80℃）でのアンテナ技術

北海道大学（徂徠AP,羽部P,院生）
遠隔運用技術、遠方銀河の観測

東北大学（市川P,津村A,院生）

耐寒技術、耐霜対策技術、雪ドリフト対策

耐寒技術、運搬時除振対策
遠方銀河

金沢大学

・超広視野（従来の100倍以上）アンテナ放物面アンテナ→双曲面アンテナ
日本で唯一、世界で２か所のみ

新潟工科大学（富永P,院生）（香川L、院生）
運搬時除振対策

雪ドリフト対策

関西学院大学

福島高専

・観測の統括（金A, 学生）風況解析・外国に対する窓口(米国コーネル大)
国内外との共同観測の取りまとめ
フランス・イタリア極地研究所との交渉（瀬田Ｐ,,サラクＡＰ、院生）
ヘテロダイン受信機の開発
超新星残骸、遠方銀河観測

JAXA宇宙科学研究所（西堀主幹開発員,土居A,院生）

尾道市立大アンテナ鏡面測定ホログラフィ法、銀河核・ブラックホール（川口A）
ブラックホール

埼玉大学（明連P、田井野AP、成瀬A、院生）
電波カメラMKID開発

大阪大学（芝井Ｐ,住AP,院生）
耐寒技術、惑星観測

大阪府立大学（前澤AP 、院生）
惑星大気の観測

情報通信研究機構（笠井PR）
大気・星間分子の化学

国立天文台（小林P、関本AP、野口P、松尾AP、宮本R, 院生）
電波カメラの開発、ヘテロダイン素子開発、共同利用、星惑星形成、銀河構造建設計画
フランス・イタリア

コンコルデイア基地

筑波大学テラヘルツ望遠鏡

建設年次

１２３４５６７

アンテナ雪面基礎
観測棟 電力線
通信線

海上 内陸
輸送 輸送

運 用
(電力,通信,除雪,宿舎,気象)南極10m望遠鏡
10m
設 計製 作

国内
仮組

調整試験

試験
評価

解体
輸送

観測開始
リモート観測
現地組立
（日本）
調整試験
保守運用
（現地）

建設経費： ２６億円／７年
概算要求： 当初１８億円／３年 （アンテナ製造経費）
・・・鋭意、努力中
当該分野・一般の理解、強い支持支援：
・当該天文分野の推薦→日本学術会議「大型計画マスターマップ」
・全国26か所講演会→文科大臣宛署名2000名以上・寄付金（クラウドファンデイング）→1230万円（目標額1000万円）

素粒子構造部門 CERN ATLAS 実験 ヒッグス粒子研究
力の伝達：“ゲージ粒子”

物質粒子
電磁気力
強い力
弱い力
重力

相対論的な量子場の理論により定式化： 素粒子標準理論
理論の整合性のために ヒッグス粒子 が必要 （1960年代に予言）長いこと探索していた  2012年に発見

9

なぜ ヒッグス粒子 か？
• 新粒子・新現象の直接探索

標準理論を超える物理があるはずヒッグス粒子が鍵をにぎる

超対称粒子
余剰次元
暗黒物質粒子• ヒッグス粒子の精査

標準理論を超えて種々の粒子との結合未知粒子への崩壊11

素粒子構造部門 2014 - 2017
 LHC-ATLAS 実験 陽子・陽子衝突 CERN 研究所•••

Run-2 実験2015 - 継続中
重心系エネルギー 13 TeV
積分輝度 ~ 64 fb-1 瞬間輝度 1.7×1034 cm-2 s-1

ヒッグス粒子：発見から精査へ
生成断面積 vs. √sH  b b-bar の初観測

他に：
t t-bar H 過程による生成不可視粒子への崩壊

新物理の探索： 重いヒッグス  Z Z

一時，質量 700 GeV/c2 付近に
excess  消えた125 GeV のヒッグス粒子： 標準理論の予言する（唯一無二の）ヒッグスと無矛盾
他の直接探索（超対称粒子など）も，これまでのところ兆候は無し
 データ蓄積を継続し，より精密な測定，探索範囲の拡大
 2020年代半ばに LHC 加速器の大幅増強 Hi-Lum LHC （輝度が一桁向上）

ATLAS 検出器： 高輝度に対応するための増強（入れ換え）が必要
新型シリコン飛跡検出器 （ピクセル型，ストリップ型）
KEK 等と共同で開発・性能評価→ 実機製作に向けた最終設計

13

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索
 素粒子の質量がなぜ１１桁以上も異なるのか？
 同じ性質の（質量のみ異なる）粒子の繰り返し：
ニュートリノ質量の理解が先決
 まだ測定されていない
 質量二乗差 m2 はニュートリノ振動実験により既知

本事業: ニュートリノ崩壊を観測し，質量を決定
重いニュートリノ  軽いニュートリノ + 光子光子（赤外線領域）のエネルギーを測定→ ニュートリノ質量の決定  32

3W

,

2



 ニュートリノ： 寿命が長く、まれにしか崩壊しない。現在の寿命の下限 = 1012年
探索には大量のニュートリノが必要
加速器で作るのは不十分
宇宙に大量に存在するはずの 宇宙背景ニュートリノ が唯一の解宇宙論で予言されるが未観測  その観測は宇宙論検証の意義を持つ
ニュートリノ崩壊発見によるニュートリノ質量の測定
宇宙背景ニュートリノ の発見

それぞれがノーベル賞級の発見

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宇宙背景ニュートリノ崩壊探索ロケット実験・衛星実験
ロケット実験計画: ２０１９年に高度200 kmで５分間データ収集
ニュートリノ寿命が 1014 年以下なら観測可能 （現在の寿命下限は 3×101２年).
»超伝導トンネル接合素子 (STJ) 赤外線検出器を開発
50 Nb/Al-STJ ピクセルアレイと回折格子で遠赤外線のエネルギー測定
遠赤外線望遠鏡

Nb/Al-STJarrayΔ

2020以降に衛星実験 → 寿命τ(ν3) ～1017 年なら観測可能
˃

Hf-STJ 赤外線検出器で衛星実験 ( S. H. Kim et al. JPSJ 81, 024101 (2012)）
 ハフニウムの超伝導エネルギーギャップ 小  回折格子なしのエネルギー測定が可能

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１． SOI-STJ: 筑波大, KEK, 産総研等との共同研究で, SOI（Silicon-On-Insulator)技術を用いた極低温増幅器と超伝導トンネル接合素子STJを一体化したSOI-STJ検出器を開発中
Nb/Al-STJ素子

SOI読み出し回路+ SOI (Silicon-On-Insulator) 技術
MOSFET4Kで動作(by T. Wada (JAXA) et al. J. Low Temp Phys. 167 602 (2012)）～50nm+ SOI回路と一体化したSTJ検出器
Nb/Al-STJをSOI回路基板上に作成
FD-SOI -MOSFETSiO 絶縁膜上にMOSFETを形成→非常に薄いチャンネル層3K以下の極低温でも動作

2． Hf-STJ:
筑波大, KEK等との共同研究で, Hfを用いた超伝導トンネル接合素子
Hf-STJを開発中
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Nb/Al STJ

ロケット実験用実機の製作を視野に入れた開発・設計段階へ移行した
詳細は，光量子計測器開発推進室の報告で

17

Hf STJ

将来の衛星実験に向けた順調な進展あり

18

2019 年度の ロケット実験 をめざす

 予算獲得が必要

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素粒子構造部門：超弦理論の研究
素粒子は点ではなく長さを持つ弦である• 重力の量子論
くりこみ理論が通用しない• 4つの力の統一
ヒグス粒子の質量を説明する

伊敷吾郎
第１２回（2017年度） 素粒子メダル奨励賞 受賞"Emergent bubbling geometries in the plane wave matrixmodel", JHEP 1405 (2014) 075

数理物質融合科学センター

宇宙史国際研究拠点

クォーク・核物質部門
新たな物質相の研究
クォーク・グルーオン・プラズマ
Quark Gluon Plasma (QGP) 研究

臨界点

ハドロン相からクォーク相への相転移

アメリカ合衆国、ニューヨーク郊外、ブルックヘブン国立研究所（BNL）、超相対論的重イオン加速器（RHIC）を使ったPHENIX実験

スイス・フランス国境のジュネーブ郊外、欧州共同原子核研究機構（CERN）、ＬＨＣ加速器を使ったＡＬＩＣＥ実験

筑波大学、計算科学研究センターの計算機システム：「HA-PACS」「COMA」等

種々の測定による QGP 生成の証拠
ハドロン生成の抑制 / 光子の非抑制

ハドロン生成の非等方性

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臨界点を示唆？

種々の物理量の衝突エネルギー依存性

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Strange 粒子の生成・偏極度
陽子陽子衝突における QGP の兆候を観測

QGP 由来と思われる偏極を初めて観測

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不安定核・元素合成

本格的な実験を開始

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宇宙史国際研究拠点の研究成果のまとめ （３年間）（部門別）
南極天文部門
論文数 ４８
国際会議報告数（国内研究会報告数） ２２ （ １１２）素粒子構造部門
論文数 ４０９
国際会議報告数（国内研究会報告数） ６０ （ １２０）クォーク核物質部門
論文数 ２０３
国際会議報告数（国内研究会報告数） ６３ （ ６４）27

大型科研費・外部資金の 獲得状況 と 計画申請
素粒子ニュートリノ
新学術領域 「ニュートリノ」 計画研究 （代表 金） Ｈ25～Ｈ29 7800万円
挑戦的萌芽 「SOI-STJ」（代表 武内） H28～H30 351万円
基盤(Ｓ) 「宇宙背景ニュートリノ崩壊探索ロケット実験」（代表 金） Ｈ30～ 1.95億円
基盤(A) 「SOI-STJ 開発と sub-GeV 暗黒物質探索への応用」（代表 武内） Ｈ30～ 4610万円
日米科学技術協力事業 「Developments of far-infrared photo-detectors based on superconductors
for the cosmic background neutrino decay search」 （代表 武内） Ｈ30 2000万円

ヒッグス
新学術領域「ヒッグス」計画研究
新学術領域「真空と時空」計画研究（分担 受川） Ｈ23～Ｈ27 5000万円（分担 受川） Ｈ28～H32 約4200万円

原子核ＱＧＰ
日米科学技術協力事業「PHENIX実験」 （代表 江角） Ｈ23～ 累計～１億円
基盤（Ｂ）「グルオン衝撃波の探索」（代表 三明） H25～H28 1430万円
基盤（Ｂ）「Di-jet 識別装置を用いたグルオン衝撃波の探索」（代表 三明） H29～H31 1196万円
基盤（Ｂ）「ＡＬＩＣＥ実験前方光子検出器」（代表 中條） H25～H27 1911万円
基盤（Ａ）「ＡＬＩＣＥ実験 ジェットと前方光子」（代表 中條） H29～H32 4368万円
日米「クォークグルオンプラズマとQCDの相図の研究」 （代表：江角） H30 1000万円
基盤（S）「原子核衝突ビームエネルギー走査による高密度クォーク核物質の研究」（代表：江角）H30～ 1.7億円
新学術領域 「高密度クォーク物質」

宇宙観測
南極望遠鏡
基盤（Ａ） 「大規模電波カメラによる「あかり」北極域の掃天観測」 （代表 中井）Ｈ26～Ｈ30 3250万円
国立極地研究所 「南極地域観測第９期計画一般研究」 (代表 中井） H32～H33 1000万円
概算要求 ～18億円（３年間）

センター拠点として

学振 研究拠点形成事業 Core-to-Core Program （代表 江角） Ｈ30～Ｈ34 8100万円