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図1 広域シャワー観測装置(AGASA) |
AGASA（広域空気シャワー観測装置）は、明野観測所の北西、明野村、韮崎市、須玉町、高根町、長坂町、大泉村の6市町村にまたがる高原に設置され、1991年より安定して連続稼働しています（図1）。
研究の目的は、 宇宙から飛来する最高エネルギー宇宙線を観測をし、宇宙における高エネルギー現象を調べることです。自然界でもっとも高いエネルギー現象を観測する、非常にユニークな研究です。
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AGASAは世界最大の宇宙線観測装置です。有効面積は100平方キロメートルで、この中にシンチレーション検出器（ミューオン検出器）を111台並べ、各検出器を光ファイバーでつないでいます。大気中に突入した最高エネルギー宇宙線は巨大な空気シャワーを作り、地上の直径6kmの領域に100億個位の二次宇宙線を降らせます。検出器がこの二次宇宙線をとらえ、ブランチごとに設置された4カ所の副コンピュ−タを経由して、中央のコンピュ−タにデ−タを送ります。AGASAでは、5×1017
電子ボルト以上の宇宙線を年間約2万個も捕まえています。
研究の現況
理論的には、1020 電子ボルト以上の高エネルギー宇宙線は捕まえられないと考えられていました。なぜなら、高エネルギーの宇宙線は途中でビッグバン名残の光子と衝突して急速にエネルギーを失い、地球にくるまでに低エネルギーになってしまうはずだからです。
ところが、AGASAの8年間にわたる観測で、1020電子ボルトを越える高エネルギー宇宙線が8例も検出されました（図2）。同様の事例はその後米国とロシアでも1例づつ見つかりました。ところが、これらの宇宙線の飛来方向はばらばらで、高いエネルギーの元になるようなものも近くにありません（図3）。この観測結果は、今までの理論が間違っており、新しい物理、従来考えられなかった高エネルギー現象があることを強く示唆しています。
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図２ AGASAで測定された宇宙線のエネルギースペクトル。1020
電子ボルトを越えるものが8例ある。
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図３ 4x1019
電子ボルトを越える宇宙線の
到来方向 |
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1020 電子ボルトを越える最高エネルギー宇宙線の起源として、次のような可能性が考えられています。
| 1) |
ビッグバン宇宙初期に生成されたモノポールなどの重粒子が崩壊してできた |
| 2) |
高エネルギーニュートリノ天体からの最高エネルギーニュートリノが、我々の銀河の周りにとらえられている暗黒物質ニュートリノと作用してできた |
| 3) |
宇宙線がガンマ線バースト源で加速されてできた |
いずれの場合でも、その事実が明らかになれば、宇宙初期の超高温状態や暗黒物質ニュートリノ等に関してもっと解明できます。
最高エネルギー宇宙線の研究を飛躍的に進めるために、AGASAの100倍の感度を持つ宇宙線望遠鏡（TA：テレスコープアレイ）の計画を進めています(図4）。
有効体積も1兆トンとなります。宇宙線望遠鏡では、空気シャワーから放出される微かな蛍光を大口径の広視野望遠鏡で捉えます。感度が非常に良いだけでなく、空気シャワーを立体的に捉えることができ、親の粒子の組成も同定でき、最高エネルギーのニュートリノの検出も可能です。従って、量が増えるだけでなく質的に格段に飛躍したデ−タが望めます。宇宙線望遠鏡によって、謎に満ちた最高エネルギー宇宙線の起源が明らかになると期待できます。 |
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図４ 宇宙線望遠鏡（TA）想像図 |
宇宙線望遠鏡（TA）は、現在プロトタイプ検出器を米国ユタ州と明野観測所とに設置して、試験研究を進めています。 |
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