チベット高地における超高エネルギー宇宙線の研究

• 研究課題/領域番号: 04044042
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 湯田 利典 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (60092368)
• 研究分担者: 丁 林かい 中国科学院, 高能物理研究所, 教授 ; 任 敬儒 中国科学院, 高能物理研究所, 教授 ; 梶野 文義 甲南大学. 理学部, 助教授 (50204392) ; 斎藤 敏治 (斉藤 敏治) 都立航空高専, 講師 (40259833) ; 日比野 欣也 神奈川大学, 工学部, 講師 (80260991) ; 鳥居 祥二 神奈川大学, 工学部, 講師 (90167536) ; 笠原 克昌 神奈川大学, 工学部, 助教授 (00013425) ; 水谷 興平 埼玉大学, 理学部, 助教授 (60008844) ; 堀田 直己 宇都宮大学, 教育学部, 助手 (60157039) ; 太田 周 宇都宮大学, 教育学部, 教授 (30008023) ; 大西 宗博 東京大学, 宇宙線研究所, 助手 (10260514) ; REN Jing-ru Inst.of High Energy Physics, Academi Sinica ; DING Lin-kai Inst.of High Energy Physics, Academia Sinica ; 杉本 久彦 湘南工科大学, 教養課程物理, 助教授 (00121070) ; 丁 林〓 中国科学院, 高能物理研究所, 教授 ; 白井 達也 神奈川大学, 工学部, 助教授 (20102238)
• 研究期間 (年度): 1992 – 1994
• 研究課題ステータス: 完了 (1994年度)
• 配分額: 14,200千円 (直接経費: 14,200千円); 1994年度: 4,600千円 (直接経費: 4,600千円); 1993年度: 4,700千円 (直接経費: 4,700千円); 1992年度: 4,900千円 (直接経費: 4,900千円)
• キーワード: チベット / 羊八井 / 空気シャワー観測装置 / 惑星間磁場 / 太陽磁場 / ガンマー線 / 宇宙線の起源 / かに星雲 / 太陽の影 / 空気シャワー / 宇宙天体

研究概要

中国と共同でチベットの羊八井(標高4,300m)に空気シャワー装置を設置し、白鳥座X-3等宇宙天体からの高エネルギー・ガンマー線の探索実験を行っている。高エネルギー宇宙線の起源・加速の問題を研究するのが主な目的である。この装置は65chのシンチレーション検出器からなり、シャワー粒子の到来時間及び粒子数の大きさを高精度で測定できる。システムはマイコンで制御し、データは容量2GBの8mmビデオテープに記録・保存している。データの取得は90年6月から約20Hzの高頻度で行われ、昨年8月まで継続された。再頻値のシャワーのエネルギーは約10TeVで、シャワーの到来方向は1度以上の精度で決めることが出来る。今までのデータの解析から幾つかの興味ある重要な結果が得られた。まず、月及び太陽の方向から来る宇宙線の頻度の観測からそれらによる宇宙線の遮蔽効果(影)を詳細に調べた。その結果、月の影は約7σの有意さで観測され、これから装置の角度分解能は0.9度であることが判明した。この角度分解能はこのエネルギー領域の観測装置では世界最高である。また、影の位置は月の本来の位置から約0.16度西にずれて観測された。このずれは、地磁気による影響で説明できる。また、太陽の影は太陽の本来の位置から西南西に約0.9度ずれて観測された。このずれは太陽、地球間の磁場の影響によるものと考えられている。太陽の影がこれら磁場の影響でずれて観測される可能性は1957年にクラークにより予測されていたが、実験的に観測されたのはこの実験が世界最初である。惑星間磁場は太陽コロナから吹き出す太陽風によって作られているが、太陽磁場(ダイポール型に近い)の南北の極性を反映して、極性が交互に異なるセクターに分かれていることが知られたいる。太陽方向からくる宇宙線(殆どは陽子である)を各セクター毎に分けて、影の位置を調べたところ、セクター磁場の極性に応じて影の位置は反対方向に動くことが分かった。この結果は太陽の影のずれには惑星間磁場の影響がかなり大きいことを示している。さらに、太陽の影が西南西に約0.9度ずれることは予想外のことで、これは観測された時期が太陽活動の活発な時期であったため、惑星間磁場が静穏期に比べて大きく乱れていることを示している可能性がある。今後の観測に大きな期待が寄せられている。
宇宙点源からのガンマー線については、10TeV領域で初めてその探索が行われた。かに星雲、白鳥座X-3、また米国のガンマー線天文衛星で観測された活動銀河核等多くの点源からのガンマー線探索を行ったが、まだいずれの天体からも有意な信号は検出されていない。これらの点源について10TeVでのフラックスの上限値が得られ、これらの結果はガンマー線発生のモデルに強い制限を与えている。
本装置は昨年12月に約4倍に拡張された。検出器の数は221台で15m間隔の碁盤目状に配置されている。システムはFASTBUSとCAMACで構成し、IMB-PCで制御している。データは10GBに圧縮して8mmビデオテープに記録している。この装置の有効面積は約4万平方メートルで今までの装置の約8倍である。現在装置の稼働テスト及びその調整を行っており、近日中に本格的な観測に入る予定である。この装置によるシャワーのトリガー頻度は約250Hzと世界最高であり、約5TeV以上のガンマー線起源のシャワーを検出できる。これが本格的に稼働すると、今まで得られた結果がさらに良い統計精度で検証されるはずである。特に、かに星雲及び活動銀河核MRK421からのガンマー線が10TeV領域で初めて検出される可能性がある。かに星雲については、星雲での電子の加速エネルギーの限界または磁場について新たな情報を提供することができる。また、MRK421については、10TeV領域のガンマー線観測から宇宙空間の赤外光の強度についての情報を得ることができ、宇宙論的な情報も得ることができる。さらに、この装置により太陽の影の時間変動が3-4カ月毎に調べることが可能となり、太陽活動と磁場変動に関して新しいデータを提供することが出来る等多くの学問的成果が期待できる。

研究成果

• [文献書誌] M.Amenomori,Z.Cao,T.Yuda et al.20GB01:Search for 10 TeV gamma-ray from active galactic nuclei with thr Tibet air shower array: The Astrophysical Journal. 429. 634-637 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori,Z.Cao,T.Yuda et al.20GB02:Direct evidence of the interplanetary magnetic field effect on the cosmic ray shadow by the Sun.: The Astrophysical Journal. 415. 147-150 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori,Z.Cao,T.Yuda et al.20GB03:Cosmic-ray deficit from the directions of the Moon and the Sun with the Tibet air shower array.: Physical Review D. 47. 2645-2681 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Saito,T.Yuda,K.Kasahara et al.20GB04:Intensity of protons at the "knee" energy of primary cosmic rays.: Astroparticle Physics. 2. 257-267 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori,Z.Cao,T.Yuda et al.20GB05:Search for steady emission of 10-TeV gamma-rays from the Crab Nebula,Cygnus X-3 and Hercules X-1 using the Tibet-air shower array: Physical Review Letters. 69. 2648-2471 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori, Z.Cao, T.Yuda et al.: "Search for 10 TeV gamma-ray emission from active galactic nuclei with the Tibet air shower array." The Astrophysical Journal. 429. 634-637 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori, Z.Cao, T.Yuda et al.: "Direct evidence of the interplanetary magnetic field effect on the cosmic ray shadow by the sun." The Astrophysical Journal. 415. L147-L150 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori, Z.Cao, T.Yuda et al.: "Cosmic-ray deficit from the directions of the moon and the sun with the Tibet air shower array." Physical Review D. 47. 2465-2681 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Saito, T.Yuda, K.Kasahara et al.: "Intenisty of protons at the "knee" energy of primary cosmic rays." Astrophysical Journal. 2. 257-267 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori, Z.Cao, T.Yuda et al.: "Search for ateady emission of 10 TeV gamma rays from the Crab Nebula, Cygnus X-3 and Hercules X-1." Physical Review Letters. 69. 2648-2471 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Amenomori et al.: "Search for steady emission of 10-TeV gamma rays from the Crab Nebula,Cygnus X-3 and Hercules X-1 using the Tibet air shower array" Physical Review Letters. 69. 2468-2472 (1992)
• [文献書誌] M.Amenomori et al.: "Cosmic ray deficits from the directions of the Moon and the Sun detected with the Tibet air shower array" Physical Review D. 47. 2675-2681 (1993)
• [文献書誌] To.Saito et al.: "Intensity of protons at the “knee" of the cosmic ray spectrum" Astroparticle Physics. 1. 257-267 (1993)
• [文献書誌] M.Amenomori et al.: "Direct evidence of the interplanetray magnetic field effect on the cosmic ray shadow by the sun" The Astrophysical Journal. 415. L147-L150 (1993)
• [文献書誌] M.Amenomori et al.: "Search for 10 TeV gamma-ray emission from active galactic nuclei observed with the Tibet air shower array" The Astrophysical Journal. 429 (in press). (1994)
• [文献書誌] 西沢 正己、湯田 利典: "ずれて見える“太陽の影"" パリティ10月号. 8. 55-60 (1993)
• [文献書誌] M. AMENOMORI et al.: "Search for steady emission of 10-TeV gamma rays from the Crab nebula, Cygnus X-3, and Hercules X-1 using the Tibet air shower array" Physical Review Letters. 69. 2468-2471 (1992)
• [文献書誌] M. AMENOMORI et al.: "Cosmic-ray deficit from the directions of the Moon and the Sun detected with the Tibet air shower array" Physical Review D. 47. X1-X7 (1993)
• [文献書誌] To. SAITO et al: "Intensity of protons at the ¨knee¨ energy of primary cosmic rays" Astroparticle Physics. 2. XX1-X13 (1993)
• [文献書誌] M. AMENOMORI et al.: "Recent status of the Tibet AS-G experiment" AIP Conference Proceedings. (1993)
• [文献書誌] M. AMENOMORI et al.: "Recent results of the Tibet AS-G experiment" AIP Conference Proceedings. (1992)