研究概要

宇宙線の研究は,粒子の生成・消滅という素粒子・原子核物理学と,粒子の加速・伝播という宇宙物理学の2つの側面を持っており,観測される宇宙線の組成やスペクトルは両者が複雑にからみあった現象である.そのため,宇宙線の正確な理解のためには,組成やスペクトルの高精度な観測により各々の側面を正確に切り分ける必要があり,地球に降り注ぐ宇宙線を大気の希薄な高い高度で直接捉えることが不可欠である.このような飛翔体を用いた宇宙線の直接観測は,これまでに国内外で様々な装置が考案されて実施されて来た.
最近の観測からは,従来の粒子加速・伝播機構モデルだけでは理解できない,(1) 陽電子・電子比率の“異常”と電子+陽電子流束の“過剰”,(2) 陽子・ヘリウムにおけるエネルギースペクトルの“硬化”,が報告されている.これらは,宇宙・素粒子における最大の謎である暗黒物質,又は(及び)未発見の近傍加速源や未知の伝播過程の存在を示唆しているが,観測データ間の相違や高エネルギー領域での観測量の不足のため確定的な結果を得るに至っていない.我々は,国際宇宙ステーション(ISS)における高精度直接観測により,暗黒物質・近傍加速源の解明を含む高エネルギー宇宙線の加速・伝播機構研究の新展開を目指す.

ISS日本実験棟「きぼう」の船外実験プラットフォーム(JEM-EF) に搭載する高エネルギー宇宙線観測装置(CALET:Calorimetric Electron Tele- scope)により,まだ観測が乏しいテラ電子ボルト(TeV)領域の電子(+陽電子)と“ ニー” 領域(〜3×1015 eV) に迫る陽子・原子核成分の世界最高レベルの観測を実施する.CALETは図1に示す通り,電荷測定器(CHD: CHarge Detector),イメージング・カロリメータ(IMC: IMaging Calorimeter),及び全吸収型カロリメータ(TASC: Total AbSorption Calorimeter)により構成されている.宇宙線やガンマ線が入射すると粒子の種類に応じてシャワー粒子が発生する.その際に各検出器で得られる独立な情報により,電子,ガンマ線又は陽子・原子核といった粒子種別や到来方向・エネルギーの測定を行う.
CALET は「こうのとり」5号機により打上げ5年間の観測を実施する予定であるが,軌道上データはつくば宇宙センター経由で早稲田大学のCALET運用センター(WCOC) にほぼリアルタイムで転送される.本研究計画では,WCOC でのミッション運用とデータ解析により,研究目的を達成する.

現在,電子・陽電子観測に用いられているマグネットスペクトロメータ(PAMELA, AMS) は,電荷の正負を判別できるものの観測領域がTeV 以下に限られる.これまでのカロリメータ方式の装置(ATIC, Fermi-LAT) も,電子観測に最適化された装置ではないため,高エネルギー領域での電子選別等が正確ではない.それに対してCALET は電子観測に最適化されており,分厚い(30 r.l.) カロリメータを備えることによりTeV 領域での直接観測が実現できる唯一の装置である.その結果、世界で始めて荷電粒子による近傍加速源の検出や、質量がTeVを越える暗黒物質の探査が可能である.加えて,陽子・原子核の10 GeV-1000 TeV でのエネルギースペクトルの精密観測と数TeVに至るB/C 比の測定により,宇宙線の生成・伝播機構の高精度な解明を達成する.

【関連論文・著書】
・鳥居祥二,「宇宙線を直接捉える」, 日本物理学会誌, Vol.67, No.12, pp. 821-827 (2012)
・S.Torii, “Calorimetric Electron Telescope mission : Search for dark matter and nearby sources”, NIM, A630, pp.55-57 (2011),

【研究期間】
 平成26年度-30年度

【ホームページ】
 http://www.crlab.wise.sci.waseda.ac.jp