科学研究補助金　特別推進研究　　（平成27年度～平成31年度）

拡張テレスコープアレイ実験－最高エネルギー宇宙線で解明する近傍極限宇宙
(TAx4)

　宇宙線は宇宙を飛び交う高エネルギーの陽子や原子核であり、地球には宇宙線が絶え間なく降り注いでいる。宇宙線のエネルギースペクトルは、10¹⁰eVから10²⁰eVまで10桁以上にわたってエネルギーのほぼ3乗のベキ関数で減少している。10¹⁹eVくらいまでは一様等方的に地球に到来しており、確認されている異方性は0.1%程度に過ぎない。人工の粒子加速器では決して到達しえない10¹⁹eV以上の宇宙線の起源は、現在の宇宙物理学における謎であり、最も重要な未解決テーマの一つである。

　本科研費の研究者等は、北半球で最大の宇宙線観測施設であるテレスコープアレイ（Telescope Array：TA）を用いて観測中である。5年間の地表検出器（SD）データを用いた解析では、5.7×10¹⁹eV以上の最高エネルギー宇宙線の到来する方向が特定の領域に集中（約400%の異方性に相当）するホットスポットの兆候を見出した。また、5.7×10¹⁹eV付近以上で宇宙線の強度が急激に減少するカットオフを観測した。これは、最高エネルギー宇宙線が宇宙背景放射光子などと相互作用しシールドされて、その発生源が約2億光年（GZK地平線）以内に限られることを示唆し、GZK地平線内で最高エネルギー宇宙線の起源天体が同定できる可能性を示す、世界で初めての観測結果である。

　本研究では、最高エネルギー宇宙線に対する有効観測面積を現TAの4倍にするTAx4計画を進め、特に地表検出器（Surface Detector: SD）の拡張建設を遂行する。TAx4は高い統計精度で北天のサーベイ観測を行い、エネルギースペクトルと質量組成の測定とあわせて、最高エネルギー宇宙線の到来方向の測定を行う。これにより最高エネルギー宇宙線を生む宇宙の極限現象・極限天体の研究を推進する。現TAは507台のSDを1.2km間隔で設置して約700km²をカバーする。現TAを運用しつつ、500台のSDを2.08km間隔で設置して、合わせて約3000km²をカバーする。

TAが5年間の観測で得た最高エネルギー宇宙線は72事象である。本研究では、これまでのデータと合わせて、研究期間内に現TAの約20年分に相当する約300事象を観測する。これにより以下の項目を明らかにする。

• 最高エネルギー宇宙線の異方性の精査観測：(1)ホットスポットを確認し、スポット内より細かい到来方向の構造があるかを調べ、その起源を探る。さらに、他の到来方向に新たな過剰スポットがあるかを探索する。(2)近傍銀河分布や活動的銀河等の既知の天体との相関を調べる。(3)また宇宙線の点源探索を行う。

• エネルギースペクトルの詳細な測定： (1)TAを含めて10^18.2eV程度以上のエネルギースペクトル（銀河系外陽子宇宙線に対応）を精度よく測定し、宇宙線の発生・伝播モデルと比較することによって、宇宙線の発生源のエネルギースペクトルや発生源の宇宙論的な進化のパラメータに制限を与える。(2)さらに近傍宇宙の物質構造分布など（たとえば超銀河面）に関連して、到来方向の領域ごとにエネルギースペクトルやカットオフエネルギーに違いがあるかを調べる。
• 最高エネルギー宇宙線の質量組成の特定：大気蛍光望遠鏡（Fluorescence Detector: FD）で観測する空気シャワーの最大発達深さXmaxから、最高エネルギー宇宙線の質量組成を決定する。質量組成は、最高エネルギー宇宙線の加速機構や起源天体の性質を特定する重要な情報となる。
• 超高エネルギーガンマ線、ニュートリノ探索：GZKカットオフ機構から生成される超高エネルギーのガンマ線およびニュートリノを探索する。GZK機構の予想と異なる流量は、新しい物理への糸口となる。

TAx4の配置図

• TA
  • 赤丸印：　　 507台のTA SDの位置
  • 青四角印：　3か所のTA FDステーションの位置
• TAx4計画で追加予定のSDとFD
  • 緑丸印：　　TAx4で追加設置予定のSDの位置
  • 青四角印： 追加したMiddle Drum FD(2018/02時点)と追加予定のBlack Rock FDの位置。扇形の線はFDの視野を示す
• TALE（TA低エネルギー拡張：TA Low Energy extension）
  • 黄丸印：　　TALE SDの設置位置（103台設置済[2017/02時点]）