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・チェコの6か国の研究者チームが、その謎に挑戦している。
 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理解したのち、複数の検出器を組み合わせて地上に到達する宇宙線の信号を測定する。測定したデータを解析し、宇宙線に含まれる未知の素粒子探索に挑戦してみよう。
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)実験やT2K実験はこの研究で世界をリードしています。
 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プロジェクトが進行しています。SK-Gdでは、宇宙の始まりから現在まで、過去に起こった超新星爆発によって生じ宇宙に漂っているニュートリノを初めて検出しようという試みがなされます。一方では、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。また、10^15eV以上のエネルギー領域では宇宙の高エネルギー天体起源と思われるニュートリノも発見されました。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、一般的なニュートリノ実験で用いられる光電子増倍管と宇宙線ミューオンを用いた実験を予定しています。光電子増倍管から得られた電気信号のデータ取得、事象選択などの実験に必要な基本的な手法を学び、同時にシミュレーション研究やデータ解析などを行い、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。
 2018年のプロジェクト研究の様子 
高エネルギーガンマ線天文学
 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、宇宙論、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、MAGICチェレンコフ望遠鏡の位置するラパルマのコントロール室とインターネットで繋ぎ、ライブストリームをとおして観測の疑似体験をおこなう。また、MAGICガンマ線望遠鏡で観測された活動銀河核(超巨大ブラックホール)からのTeVガンマ線データを解析し、活動銀河核のエネルギー源である超巨大ブラックホールの性質についてさまざまな考察研究を行う。
超高エネルギー宇宙線(新しいグループ)
 銀河系内のどの天体が超高エネルギー宇宙線(10の12乗~10の17乗電子ボルト)を加速しているのか?」 宇宙線の発見以来100年以上続くこの謎を解明するため、宇宙線および宇宙ガンマ線を中国・チベット(標高4300m)に数万平米の宇宙線観測装置を建造し観測を続けている。また、最近では、南米ボリビア・チャカルタヤ山(標高4740m)にも同型の装置を建設し、巨大ブラックホールが存在するとされる銀河中心方向の観測も計画している。
 プロジェクト研究では、素粒子の一つであるミューオンを、実際の観測で使用している粒子検出器を組み合わせて測定する。空から絶え間なく降り注ぐ目に見えない素粒子の性質をどのように調べるのか?宇宙線観測装置を通して体験する。
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
 重力波が初観測されてから、もう3年が経ちました。アインシュタインの一般相対性理論によって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て、重力波天文学を創成しました。最初に検出した重力波は、13億光年離れた太陽質量の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したが、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ます。これからも、次々に新しい重力波天体が発見されるはずです。
 このような状況で本プロジェクト研究を行うわけですが、ここでは重力波の検出方法について学んだ後に、簡単なデータ解析を手掛ける予定にしています。すでに公開されているLIGOの観測データを使って、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解析を試みてみませんか?これは聞いただけでもワクワクする話だと思います。さあ、宇宙を解明したい皆さん、集まりましょう!