宇宙線研究の百年 - JISCRISS

　宇宙線研究の百年
村木　綏　by Yasushi Muraki
A 100 years of cosmic ray research
--- Present and Future ---
この漫画は名大太陽地球環境研究所のhome pageか
ら取得できます。　http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/
今日の話の主な内容　(today’s talk)
宇宙線とは何か？
What are cosmic rays?
それはどういう方法で測られるのか？
How do we measure HE cosmic rays?
現在何が問題なのか？
What are current problems?
宇宙線研究の百年
- A 100 years of cosmic ray research -
1. 宇宙線研究の黎明期(1911-1928)
(Early study on cosmic rays)
2. 宇宙線による素粒子物理学の研究(1933-)
(Study of elementary particles by cosmic rays)
3. 宇宙線による宇宙物理学の研究(1941-) 最近の話題
(Study of universe by cosmic rays)
4. 宇宙線実験の最近の話題(2009)
(From recent topics and highlights of the studies)
Discovery of Radioactivity(放射能の発見）
●1900年頃の物理学の最前線
(frontier of physics around 1900)
1896 Röntgen
X線の発見
1896 Becquerel ウラン鉱石から”ray”が出ている。
1898 M. Curie, Schmidt pitchblende
トリウム、ラジウム、ポロニウムからの放射線の発見
1903 Nobel prize to M+P. Curie and Becquerel
1900 α,β,γ線の発見 3種類がある。
1. Discovery of Cosmic Rays
放射線は見えない 　霧箱で見える。（1911　Wilson）
(cannot recognize by the naked eyes , by the cloud chamber)
電離計で測る　（measurement by the ion chamber)
取りきれない成分
が残った。
(existence of the background
that is difficult to remove.)
The photograph of Hess and his Experiment
around 1911 – 1912
最初の気球実験
Prof. Hess　Hessは高空ほど強度が上がる放射線の存在を確信した
高空でイオン強度が高まることを知った。
(The ionization rate increased at higher altitude)
ヘスは気球に乗って高度依存性を調べたが
7回目のフライトで上空からきている確信を得た
（Hess used the balloon to investigate it.）
高空放射線となずけられた。
(Hohen-strahlung)
●Hess, Kolhörster, Gockelらの活躍
Millikan’s Experiment (1925-1928)
高山を利用した宇宙線研究の始まり
米国最高峰Mt. Whitney(4418m), Muir Lake(3540m)
(The experiment maybe belonged to very first experiment
to do so at high altitude, mountain laboratories.)
Robert Millikan noticed that the rays must come
from the universe, not from the Earth origin;
cosmic rays
電荷に単位があることを見出したミリカン（米国）が
高山の湖に装置を沈めてその強度を測定した。
かれは異なる高度で同じ実験を繰り返した。
その結果強度の減衰が完全に空気の厚みによる
ことを見出し、これらの放射線は地球外から飛来し
ているという認識に到達した。
そして宇宙線という名前を与えた。
1940年この名前にヘスが同意したのでそれ以来
宇宙線と呼ばれている。発見から28年が経過していた。
Mount Whitney 4418m Lake Muir 11800 feet
(4540m)
Mt. Whitney からの写真
宇宙線研究
素粒子の研究　ミクロの世界
Study of
microscopic world
宇宙の研究　マクロの世界
Study of
macroscopic world
2. Study of elementary particles by cosmic rays（Ⅰ）
宇宙線を使った素粒子研究(1933 - )
1932 Anderson discovered Positrons （陽電子の発見） 反物質の発見
1937 Nedermyer discovered muons　（ミュー粒子の発見）　透過度が高い
1942 Sakata, Inoue, Tanigawa （二中間子論の提唱）
1947 Lattes, Occhialini, Powell discovered pions at Mt. Chacaltaya
（パイ中間子の発見）　湯川中間子
1948 Accelerator experiment started.. Many cosmic ray physicists
moved to the field of high energy experiment
1948 Yukawa Nobel prize by the prediction of pi-meson (パイ中間子の予言）
1950 Powell Nobel prize by the development of emulsion technique
（原子核乾板開発と中間子の発見）
Mt. Chacaltaya 5,250m in Bolivia
2 Study of elementary particles by cosmic rays（Ⅱ）
地道な宇宙線による素粒子研究は続いた
1966 Search for quarks in cosmic rays
1970 Niu　Discovery of charmed particles in cosmic rays
1974 Proposal of the bag theory on the Quark
クォーク閉じ込め理論又は袋理論の提案
1980 Search for proton decay and monopole GUT
1987 Discovery of neutrinos by Super Nova explosion
2002 Koshiba Nobel prize
Present Search for dark matters in the universe
今も宇宙線中の新素粒子の探査は続いている。
3. 宇宙線による宇宙の研究
- Where are cosmic rays accelerated ? 要約すると
宇宙線による宇宙の研究（1941 - )
宇宙線がどこで作られているのかを理解すること。
どこでイオンが宇宙線と呼ばれる高エネルギー粒子
に加速されているのかを調べる。
粒子加速過程の研究をしている。
Studying particle acceleration processes in various parts
of the universe.
宇宙線のエネルギー分布
太陽起源
~1/m2sec
衝撃波加速
~ 1/m2year
フロンティア領域
~ 1/km2year
Energy frontier
１２桁
太陽起源宇宙線
2001.4.15 flare
Protons are accelerated beyond 56 GeV
1942.2.28 Forbush
found solar particles
Space weather forecast from ISS
宇宙線のエネルギー分布（knee領域）
Knee領域の宇宙線は
超新星残骸で作られている
という有力な仮説が
1977年ころ提唱された。
このような高いエネルギー
の宇宙線は空気シャワー
を利用して測定する。
電磁石では測れない。
空気シャワーの概念図 air shower
チェレンコフ光を測定約1万～10万個の電子by Mori
超新星残骸での高エネルギー電子加速の証拠
SRN with resolved shells (2009)
Latest addition: SN 1006
expands in uniform environment above the
Galactic plane
2 – 4.5 keV X-rays
VHE -rays
smoothed X-ray
contours
B?
Flux: 1% Crab
H.E.S.S. prelim.
超新星残骸起源説　hypothesis SNR origin
超新星残骸SN1006からのTeVｶﾞﾝﾏ線の
観測成功は電子がこの超新星残骸で
100TeVまで加速されているとする「あすか」Ｘ線
衛星の観測結果（Koyama et al.)を証明した。
TeVγ線は衝撃波加速理論に従って加速されている
と考えられる。しかしこれですべてが解決した
わけではない。
(The discovery of TeV gamma-rays from the SNR 1006
confirmed a prediction by ASKA X-ray group that electrons
are accelerated up to 100 TeV in the shock front of
the Super Nova Remnant.)
4. From recent topics and highlights of
cosmic ray studies
最高エネルギー宇宙線の謎
人類が到達できる最高の
エネルギーである。
すなわちエネルギー
フロンティアーである。
何かbig surpriseが隠されて
いるかもしれないという
期待感がそこにはある。
日本のAGASAデータが
それを示唆している。
1x1018eVの宇宙線までarmに閉じ込められる
P=300Hρ
P=300Hρ
P=300×10-6×1.5×1021
H ≈ 3 µgauss
ρ≈ 500pc =1.5×1021cm
P=1.35×1018eV
最高エネルギー宇宙線はど
こからやってくるのか？
源は銀河内？
源は銀河外？
An interesting historical stories (extra)
Enrico Fermi suggested to Rossi, probably cosmic
rays will be not involved in the galactic arm, due to
the limit of the magnetic field, so cut-off of the
cosmic rays in the energy spectrum must be observed.
This is the origin of
Fermi

Rossi
the air shower
experiment
by Bruno Rossi
(Prof. Oda told me it)
最高エネルギー宇宙線の謎
GZK cut-offはあるのか？
Augerは GZK cut-offをみつけたのか？
3実験の絶対値（エネルギースケール/フラックス）のずれの理由は？
The LHCf experiment
CERNではLHCという大型
加速器が11月に稼動する。
そのエネルギーは実験室系で1017eVに相当する。
このエネルギー領域で核相互作用のモデルを
Calibration（更正）して、1019eV領域の宇宙線実験の
解釈に役立てようという実験が行われる。
（At CERN, the LHC machine is almost going to start in this
November. With use of this high energy, the LHC
collaboration will get the pion cross-section emitted at very
forward region and calibrate the MC codes that are used in
the determination of energy of each shower.)
The LHCf Collaboration (31人)
K.Fukui, Y.Itow, T.Mase, K.Masuda, Y.Matsubara, H.Menjo,
T.Sako, K.Taki, H.Watanabe
Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University, Japan
K.Yoshida
Shibaura Institute of Technology, Japan
K.Kasahara, M.Mizuishi, Y.Shimizu, S.Torii
Waseda University, Japan
T.Tamura
Kanagawa University, Japan
Y.Muraki
Konan University
M.Haguenauer
Ecole Polytechnique, France
W.C.Turner
LBNL, Berkeley, USA
O.Adriani, L.Bonechi, M.Bongi, R.D’Alessandro, M.Grandi,
P.Papini, S.Ricciarini, G.Castellini
INFN, Univ. di Firenze, Italy
A.Tricomi
INFN, Univ. di Catania, Italy
J.Velasco, A.Faus
IFIC, Centro Mixto CSIC-UVEG, Spain
D.Macina, A-L.Perrot CERN, Switzerland
まとめ Summary
最高エネルギー宇宙線の研究はエネルギーフロンティア
の領域であり、big surpriseが隠れている可能性が大きい。
しかし当面は各実験間の矛盾を解く必要がある。
これらは加速器やAuger実験と異なるTA実験等で確認さ
れるであろう。その後は巨大な北Auger計画やEUSO計画
でbreak throughがあるかどうか、探求が進むであろう。
宇宙線の長期変動と気候に与える影響という大変
興味ある分野もあるが、時間の関係で割愛した。
The highest energy region of cosmic rays belong to the energy frontier.
Therefore a big surprise may hidden there. At the moment, we must resolve the
discrepancy between each experimental result, being based on the LHCf experiment
or different experimental method like TA. However after that, the region must be
investigated by using more large detectors like North Auger and EUSO projects.
まとめ
宇宙線は発見されて百年になるが、
まだその成因については
十分理解されたとは言えないのが
現状である。
宇宙線研究は今後も続くであろう。
月面は非常に宇宙線観測にむいた
場所である。
逆コンプトン効果の概念図
inverse Compton effect
The position of shower maximum
Knapp et al, Astroparticle Physics, 19(2003) 77
LHCf
UA7
Fe incidence
衝突の両sideに測定器を置く
Detector I
Tungsten
Scintillator
Scintillating fibers
Detector II
Tungsten
Scintillator
Silicon strips
INTERACTION POINT
140 m
140 m
Beam line
1. Redundancy
2. Background rejection (especially beam-gas)
3. Physics single diffractive/double diffractive
Examples of simulated events for  and n
Y Chamber
Detector location