プロジェクト研究

最高エネルギー宇宙線
 10の20乗電子ボルトのエネルギーを持つ最高エネルギー宇宙線が宇宙からやってきている。人工加速器で人類が到達できたビームエネルギーよりも一千万倍以上も高い。このような膨大なエネルギーを持った粒子がどこで、どのように生まれ、どのように地球にやってきたか未だ解明されていない。この謎に包まれた粒 子の 起源を探るために、米国ユタ州に巨大な宇宙線観測装置、テレスコープアレイ(TA)を建設した。日・米・韓・露・ベルギーの5か国の研究者チームが、その謎に挑戦している。
 最近では、最高エネルギー宇宙線の到来方向の「ホットスポット」など、この謎に包まれた粒子の生成場所やどのように飛来してきたかを示唆する面白い結果が出つつある。
 プロジェクト研究では、TAで実際に使用している材料で検出器を作って宇宙線をつかまえる実習を行う。個々の検出器の基礎特性を測定した上で、複数の検出器を組み合わせて宇宙線空気シャワーを観測する。測定したデータを解析し、宇宙線の到来方向をもとめよう。
ニュートリノ物理
 1998年のニュートリノ振動と質量の発見以来、ニュートリノ研究は飛躍的に発展しました。太陽、大気、加速器、原子炉などのニュートリノを用いたニュートリノ振動の精密測定によって、3種類のニュートリノ間のフレーバー混合モデルがほぼ解明し、さらに宇宙創世の謎を解くヒントとなるレプトンCP非保存パラメータの測定に手が届き始めています。スーパーカミオカンデ(SK)実験はこの研究で世界をリードする成果を出してきました。
 また、SK検出器中の純水にガドリニウム(Gd)を溶解し、反ニュートリノ事象の識別が可能なSK-Gd計画が実現されようとしています。さらにレプトンCPや陽子崩壊などに飛躍的な進展が期待できるハイパーカミオカンデプロジェクトも進められています。今後もニュートリノ研究のさらなる進展が期待できるでしょう。
 本プロジェクト研究では、SKで観測された宇宙線ミュー粒子データを用いて新物理を探索する課題を予定しています。この研究では、SKデータ解析、モンテカルロシミュレーション事象の作成、統計手法を用いた物理パラメータの測定または制限などを行います。研究に必要な理論・検出器・解析の全過程を、自主的に学べる機会となることを予定しています。
高エネルギーガンマ線天文学A
 高エネルギーガンマ線による宇宙の研究は、フェルミガンマ線衛星、 HESS, MAGIC, VERITAS などの地上チェレンコフ望遠鏡により、過去10年の間に大きく発展してきました。多数の高エネルギー天体からGeV・TeVガンマ線が発見され、宇宙で起こる様々な高エネルギー現象が明らかになってきました。超巨大ブラックホール、超新星残骸、高エネルギー宇宙線加速、コスモロジー、暗黒物質探索において重要な成果をもたらし、今や、高エネルギーガンマ線天文学は、宇宙物理学における極めて重要な分野を形成しています。本プロジェクト研究では、フェルミガンマ線衛星、MAGICチェレンコフガンマ線望遠鏡を使い、カニ星雲を観測してみます。カニ星雲は1054年に爆発した超新星残骸であり、藤原定家の明月記にも記述があり、若い超新星残骸で、その中心部にはパルサーが存在し、周囲にはパルサー風により生成されたパルサー星雲が存在します。
1) パルサー星雲により加速された高エネルギー粒子が周囲の輻射場と衝突しガンマ線を放出します。
2) 高速で(33ミリ秒で)回転している若いパルサーは、強い磁気圏を周囲に持ちながら回転しており、単極誘導により強い電場が生成されます。この電場を利用して粒子が加速され周囲の磁場、輻射場と相互作用しガンマ線パルスを放出します。
 カニパルサー、ゲミンガパルサー等からのガンマ線を測定し、その時間分布から 1), 2) の成分を分離し、粒子加速、ガンマ線放射の詳細なメカニズムについて研究します。
高エネルギーガンマ線天文学B
 地上チェレンコフガンマ線望遠鏡による宇宙の研究は、近年に至り大きく進展した新しい天文学の一分野です。現在およそ 200 の高エネルギー天体(超巨大ブラックホール、超新星残骸、パルサー星雲等)からの TeV ガンマ線放射が発見されており、続々と新たな天体、予期を超える天体現象が観測されています。さらにこの分野の研究を飛躍的に推し進めるために、国際共同研究で全天宇宙ガンマ線天文台 CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) をスペイン・ラパルマ、チリ・パラナルの南北2カ所に建設を進めています。チェレンコフ望遠鏡は、大気中に入射したTeVガンマ線がつくる電磁シャワーからのチェレンコフ光を地上に設置した反射望遠鏡により、そのチェレンコフ光のイメージと光量を測定することにより、ガンマ線の到来方向とエネルギーを測定します。本プロジェクト研究では、チェレンコフ望遠鏡の技術を使い、ミューオンイメージング望遠鏡を製作・較正し、機械学習による(ディープ・ラーニングによる)データ解析を行い、その測定原理、データ解析方法を理解します。これら実験技術を学ぶとともに、宇宙線研究所の建物のミューオンによる撮像を試みます。
観測的宇宙論
 現在の宇宙を満たす星や銀河が、どのように形成されたのかについては、理解されていない物理プロセスが多く、宇宙進化さらには観測的宇宙論研究の最重要課題の一つとして残されている。本プログラムでは、最新のすばる望遠鏡による可視光撮像探査データを解析し、この中から強い星雲線をたよりに、形成後まもない天体を発見することを目指す。膨大なデータ扱うため、機械学習といった情報工学の力も利用して取り組む予定である。探し出された天体が形成後間もない天体かどうかについては、星雲線の強度と電離モデルによる推定を行って評価する。
重力波天文学
 ついに重力波が検出されてから、もう2年以上が経過した。アインシュタインの一般相対性理論によりその存在が予言されてからちょうど100年、ついに人類は宇宙の新しい窓を開け、重力波天文学を創成したのである。最初に検出された重力波は太陽質量の30倍程度のブラックホール連星の合体からやってきたものであったが、その後も中性子星連星の合体がとらえられるなど、急速にこの分野は発展している。これからも、パルサーや超新星爆発などから発生する重力波の検出が期待されている。将来は、初期宇宙に迫る観測ツールとなるかもしれない。
 本プロジェクト研究においては、重力波のデータ解析手法の基礎について学んだ後、重力波信号探索プログラムを作成してみる。それから、公開されているLIGOの観測データを用いて、ブラックホール連星合体重力波や中性子星連星合体重力波の探索を試みる。最後に得られた結果をLIGOの観測論文と比較するという、かなり野心的なプログラムである。