2021 Fiscal Year Research-status Report
Research on the galactic cosmic-ray acceleration and propagation by the direct measurement of the cosmic-ray nuclei
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21K03592
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
赤池 陽水 早稲田大学, 理工学術院, 主任研究員(研究院准教授) (70726744)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 銀河宇宙線 / 宇宙線原子核 / 二次核一次核比 / 衝撃波加速 / 銀河内伝播 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
国際宇宙ステーションに搭載した宇宙線観測機CALETは、2015年10月から観測を開始し、現在まで6年以上の安定的な観測を継続している。検出器は大きな不具合なく観測初期とほぼ変わらない状態を維持しており、効率的な運用の元で高精度なデータを蓄積を継続している。本研究の目的は、銀河宇宙線の起源や加速・伝播機構の解明のため、CALETの観測データを基に宇宙線中の陽子から鉄に至る主要な原子核成分を精確に測定することである。
本年度は、重い原子核の主成分である鉄のエネルギースペクトルを、10 GeV/nから2.0 TeV/nの広いエネルギー領域でスペクトルを求め、ベキは-2.60で一定であることを測定した。さらに、ニッケル成分についても8.8 GeV/nから240 GeV/nの領域で観測を行い、鉄と同様にスペクトルのベキ-2.51で一定であることが分かった。いずれも単一の検出器として、これまでで最も高統計なデータであり、またバックグラウンド混入の少ない高精度なデータである。また、鉄とニッケルのフラックス比は、エネルギーと共に一定であり、これらが類似の加速・伝播機構を示唆しているものと考えられる。この結果は、陽子や炭素、酸素といったより軽い原子核のスペクトルに一般的に見られているスペクトルの硬化が存在しないことを示しており、銀河宇宙線の加速・伝播機構のモデル検証に重要な情報を提供するものである。これらの成果は、それぞれPhysical Review Letters誌に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初は、原子核成分のエネルギースペクトルを陽子から鉄まで測定することを計画していた。しかしCALETの電荷測定性能は電荷40まで測れることと、長期間の観測で多くのイベントを収集したことを考慮し、ニッケルのデータ解析を実施し、高精度なスペクトルを得ることができた。重原子核のバックグラウンドはより重い原子核からの寄与が大きいが、ニッケル以上に重い原子核は存在比が極端に少なく、粒子選別が比較的容易だったことも大きい。軽原子核で見られる数100 GeV/n領域におけるスペクトル硬化は、宇宙線加速・伝播も標準モデルでは説明できない新たな課題であり、鉄とニッケルにその兆候が見られないという事実は理論モデルの検証に大きな貢献が期待できる。
既に結果を発表している陽子や炭素、酸素については、発表時より統計量を増やしており、今後より高エネルギー領域まで観測スペクトルを押し上げることが可能である。さらに、存在比の少ない二次核成分のデータも順調に蓄積できており、今後の解析で新たな成分の結果も発表できる見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
銀河宇宙線の伝播機構解明には、宇宙線が星間空間で生成されると考えられているホウ素やsubFeと呼ばれるZ=21-25の二次核成分の観測が重要である。二次核/一次核比のエネルギー依存性を求めることができれば、これを基に銀河内伝播の拡散係数を求めることができるためである。代表的な二次核であるホウ素は炭素や酸素などの一次核成分が核破砕で生成されたものであると考えられるため、ホウ素/炭素比はこれまでにも多くの観測が行われている。しかしTeV領域におけるホウ素/炭素比の観測は、その存在量の希少さからほとんど観測例はない。CALETによるこれまでの6年間の観測では、既にTeV領域に達しており、初期的な結果は国際学会で発表している。今後より詳細な系統誤差の評価を進め、論文として発表する予定である。また存在量の多い陽子やヘリウムについては、衝撃波加速の加速限界が予想されている10 TeV領域を超え、100 TeV付近まで観測が進んでいる。今後データ解析を進めることで、これらの精確なスペクトルを導出し、衝撃波加速機構の定量的な解明に寄与することを目指す。
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| Causes of Carryover |
COVID-19の影響で、当初予定していた国内外の学会が取り消しやオンライン開催になったこと、また国際共同研究者との打ち合わせが延期になり、旅費が不要になったことが予算の次年度使用となった主な理由である。今後は、延期開催となった国際学会への旅費として使用するほか、現在不具合が生じているサーバの代替品として新たにサーバを購入し、効率的なデータ解析の継続を図る予定である。
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