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1 宇宙線研究による素粒子天体物理学 荒船次郎 於日本物理学会 京都産業大学 物理学会荒船 1

2 宇宙線の多様な観測方法 物理学会荒船 2

3 宇宙線のエネルギーと共に減る強度 E Lab 10 倍 頻度 1/100 10TeV 気球 1 日 ev 小面積 AS1 年 ev 大面積 AS1 年 Gaisser & Yodh, Ann.Rev.Nucl.Part. Sci. 30 (1980), 物理学会荒船 3

4 宇宙線を用いた素粒子天体物理 Ⅰ. 宇宙線の観測 (β~1) (1) 超高エネルギー宇宙線観測 (2) 宇宙線ニュートリノ観測 (3) 宇宙ガンマ線 ( 天文学へ ) (4) 宇宙線反粒子 ( 未知粒子の対消滅?) (5) ( 重力波 ; 将来 ) II. 自然素粒子の稀な現象の探索 (β<<1) β~0 (1) 陽子崩壊探索 (Kamiokande, IMB, SK, Hyperkamiokande) (2) 0νββ 崩壊探索 (KKDC, KamLAND,...) (?) 暗黒エネルギー (LSST, SUMIRE,... 将来 ) β~10 3 (3) 暗黒物質探索 (DAMA, XMASS,...) (?) monopole, relic neutrino ( 困難 ) 物理学会荒船 4

5 天文学とは 小柴先生の 3 原則 1. 信号の方向 (θ) 2. 信号のエネルギー (hν) 3. 信号の時間 (t) (0. 前提 : 信号の粒子名 (name)) 物理学会荒船 5

6 I. β~1: (1) 最高のエネルギー宇宙線 (hν, θ, t, (n)) hν: 詳しくは GZK Cutoff(1966) for E<10 20 ev θ: point sources? まだ未確定 (n): p or heavy? 物理学会荒船 6

7 エネルギ - の評価 GZK cutoff AGASA(2003) HiRes (2008) Auger (2010) TA (SD) (2012) cutoff は有るようだ 物理学会荒船 7

8 宇宙線の起源 Fermi 加速 磁場と正面衝突 加速 ; 追突 減速 ; ( 平均 ~β 2 ) ショックなら, 加速のみで高い効率 N (~β), N dn 冪 (strong shock) E 2 ), E E de E E 1 4 / 2 伝播効果 B/C~E -0.7 を加味 E -2.7 E v v で観測と一致 磁場の雲 加速率 E E Hillas の条件 : v/c E MAX =ZeβcBL N 漏れ率 4 N 物理学会荒船 8

9 Hillas diagram Ze vbl E Hillas の必要条件 必要条件を満たす天体はある. 十分条件か? AGN:E<10 19 ev?, γπ? radio galaxies:e<10 21 ev?, >100Mpc? 物理学会荒船 9

10 線源 exotic な可能性 トポロジカルな欠陥から宇宙線? 対称性の破れ 欠陥 0 次元の欠陥 モノポールの対消滅? 1 次元の欠陥 宇宙ひもの交差や ひもの中の加速? ( 略 ) 10

11 (2) 高エネルギー γ 線 観測方法 (1) 人工衛星 Fermi 衛星 (2) 空気チェレンコフ観測 1989 Weekes(Whipple): air Cherenkov で TeV γ 線でカニ星雲を観測 θ Ch = 2 1 =(1/40) 気圧 / 1 気圧 ( その後,Cangaroo, HESS, MAGIC, VERITAS,...) (3) 地上の粒子観測 1998 Milagro: 空気シャワーで M501 の TeV γ 線 (e/μ で γ/p を区別 ) 1999 Tibet ASγ: 空気シャワーで Crab の TeV γ 線 ( 角度精度で γ を識別 ) 天体 宇宙線の起源 (1) 超新星 残骸, パルサー,BH,... 沢山 (2) 活動銀河,... 沢山 (3) その他の天体 (4) ガンマ線の起源 電子 + 光子, 陽子 + ガス (π 0 ) (5) 暗黒物質の対消滅 物理学会荒船 11

12 宇宙ガンマ線 地上望遠鏡 (Whipple 10mø 1),(CANGAROO 10mø 4), HESS, 12mø 4+28mø 1 (Nambia) MAGIC, 17mø 2 (Canary Islands.) VERITAS, 12mø 4 (USA) MAGIC 直径 17m 反射鏡 2, アフリカ西岸沖カナリヤ諸島 物理学会荒船 12

13 TeV γ 線源は豊富 TeVγ 線 天文学 最高エネルギ - 宇宙線の点源は未だ 物理学会荒船 13

14 (3) 宇宙ニュートリノ観測 日本の大きな寄与 1987 超新星 νバースト 1987Aのν 観測, 1998 大気 ν 振動の発見, 2001 太陽 ν 異常もν 振動が原因, 2010 高エネルギー ν 観測開始 IceCube,.. その他, 2005 地球 ν 観測 2003~2012 原子炉 ν で振動パラメタ 決定 Δm 12 2 (2003), θ 13 (2012 Daya Bay など ) ( 加速器 )/( 宇宙論 ) ν は 3 種類, 物理学会荒船 14

15 カミオカンデと小柴先生 超新星ニュートリノ初観測 カミオカンデ方式が広まる ( 透明液体 + 光電管の壁 + 深地下 ) Superkamiokande( 日 ) SNO( 加 米 ) CHOUZ( 仏 ) Kamland( 日 ) BOREXINO( 伊 米 ) 等々 物理学会荒船 15

16 神岡鉱山池の山 (1,360m) 旧カミオカンデの完成 (1983 年 ) (1) 地下 1000m( 宇宙放射線ノイズ 10 5 以下 ) (2)3000 トンの水タンク ( 沢山の陽子 ) (3)1000 本の直径 50cm 光電管 ( 内壁に設置 ) カミオカンデ 1,000m 物理学会荒船 16

17 地下実験のメリット 宇宙線ミューオンの地下での強度 m.w.e とは水に換算しての深さで 比重 深さ 宇宙線ミューオンの地下での強度(μ/cm2s 1sr 1) IMB 神岡 MACRO, LVD (GRAN SASSO) SNO この深さのミュー粒子はニュートリノ起源 地下 1000m: 宇宙線 ( 雑音 ) を 1/10 万に減らす! 物理学会荒船 17

18 超新星ニュートリノの観測 :35UT ( 超新星が光る 3 時間前に ニュートリノを放射 ) エネルギー超新星バースト 11 個 時間 ( 秒 ) カミオカンデ地下 1000m 水タンク3000m 3 光電菅 1000 本 物理学会荒船 18

19 超新星 ν: カミオカンデで判ったこと 天体物理 1. 超新星爆発のエネルギー源は重力 ( 落下 ) であることの確立 2. エネルギー放出の99% はニュートリノ放出 3. 中心のニュートリノ放射球放射時間は約 10 秒表面温度は, 約 200 億度半径は約 30km 素粒子物理 1. 特殊相対論 : ν と γ の速度はほぼ等しい (16 万年 /3 時間 ~10 9 ) 2. 等価原理 : ν と γ の銀河重力の時間変化 Δt は等しい (1 月 /3 時間 ~10 2 ) 3. axion (strong CP) 質量の制限 : ev< m a < 2.2eV を排除 物理学会荒船 19

20 神岡掘削完了の祝賀パンフレット (1983 年 ) 赤下線は今加筆 物理学会荒船 20

21 旧カミオカンデで判ったこと, 新たな謎 スーパーカミオカンデの建設へ カミオカンデの発見 生じた謎 大気 ν 異常の発見異常の原因は? 太陽 ν 異常の発見異常の原因は? 陽子崩壊単純な SU(5) 大統一理論を否定超対称統一理論ではどうか? 超新星 ν 超新星爆発の基本を解明爆発のメカニズムは何か? 物理学会荒船 21

22 スーパーカミオカンデの建設 建設開始 完成水タンク 3,000m 3 50,000m 3 光電管 1,000 本 10,000 本 5 万 m 3 SK K 3 千 m 3 東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設 物理学会荒船 22

23 大気ニュートリノ 大気 ν の初観測 1965 KGF, 三宅三郎等, (PL, rec.) 1965 Reines & Crouch, (PRL, rec.) 大気 ν 振動の問題 p ( Air) anything ( ) e ( e ) ( ):( ) 2:1 e e e e 物理学会荒船 23

24 KGF 金鉱の宇宙線強度 大角度 μ はニュートリノ起源 ν 大角度 物理学会荒船 24

25 ニュートリノ質量の発見 上向き μ ニュートリノが少ないニュートリノ振動の発見! 旧カミオカンデ異常の発見 ( 上向き ) cosθ ( 下向き ) スーパーカミオカンデ ν 振動の発見 物理学会荒船 25

26 太陽ニュートリノスーパーカミオカンデ実験 太陽 ニュートリノ ν 反跳電子 e θ ( MeV, PRL86(2001)5651) 物理学会荒船 26

27 太陽 νのフラックス理論値の半分 SNOと合わせて, 振動の発見 太陽の明るさ : 26 L Watt 太陽のエネルギー源 :4H He+2ν+28MeV 太陽 νのフラックス : φ ν = 2L / 28MeV L /( J) /sec 物理学会荒船 27

28 太陽ニュートリノ問題の解決 (1) 太陽 ν の標準理論 (Bahcall) はほぼ正しい (2) 太陽のエネルギー源は 核融合 (3) 太陽 ν 異常は ν 振動である Δm 2 が決まった (Kamland も貢献 ) 物理学会荒船 28

29 3ν の質量と混合角 (2012) 物理学会荒船 29

30 Superkamiokande で分かったこと スーパーカミオカンデで分かったこと 大気 ν 太陽 ν 陽子崩壊超新星 ν 大気 ν 異常 の原因は ν 振動 太陽 ν 異常 の原因は ν 振動 (SNOと合わせて) KamLANDΔm 122 に寄与超対称性理論の強い制限過去数十億年間の超新星 爆発回数の上限を求めた m m. ev sin. ~ m m. ev sin p p e y 33 p K y p -2-1 ( E 19.3 MeV) 1.2cm s e -2-1 ( E 19.3 MeV) 5.5cm s e 物理学会荒船 30

31 KamLAND 検出器 ( 東北大 ) 榎本三四郎氏の図を加工 物理学会荒船 31

32 地球ニュートリノ (KamLAND が世界初 ) 観測 =4.5 ~ 54.2TW (assuming Th/U=3.9) 理論 =16TW T.Araki et al., Nature 436, 499 (2005) 物理学会荒船 32

33 高エネルギーニュートリノ Waxman Bahcall 物理学会荒船 33

34 80 strings 125m 60 PMT/string IceCube 装置 目的 SuperKamiokande IceCube 標的 : 水場所 : 山の地下深さ : 岩 1km ( 密度 3) 体積 m 3 光電管 超新星 太陽ニュートリノニュートリノ質量 陽子崩壊 標的 : 氷場所 : 南極の地下深さ :1.45~2.45km 体積 m 3 光電管 宇宙からの高エネルギーニュートリノ IceCube 実験 物理学会荒船 34

35 II.β<<1 の信号 (1) 陽子崩壊 標準理論の次は, 大統一理論 証拠 陽子の寿命 ~10 30 年? (Georgi,Quinn,Weinberg,1974) X boson 物理学会荒船 35

36 大統一理論の検証 陽子崩壊 ( ア ) 力の統一同じ力が, 対称性の自発的破れで異なって見える > 対称性は高エネルギーで回復 ( イ ) 粒子の統一クォークもレプトンも同じ仲間 ( ウ ) 予言 (1) 陽子崩壊 (2)monopole (soliton) 物理学会荒船 36

37 陽子崩壊の観測 ( 大型光電管 1000 本 ) 陽子崩壊の2つの特徴 (1)ΣE=M p c 2 エネルギー保存 (2) Σp=0 運動量保存 > エネルギーと方向の測定が必要陽子崩壊 ~10 5 個のチェレンコフ光が出る, 数千個欲しい 予想される陽子崩壊の典型例 物理学会荒船 37

38 陽子 ( 中性子 ) 崩壊の寿命の下限 0 34 p p p e y p K y 物理学会荒船 38 あと 1~2 桁 HyperK,Memphys,UNO, Liq.Ar.TPC,...

39 (2) 0ν ββ 崩壊 物理学会荒船 39

40 ν less 2 重 β 崩壊実験?( Majorana) m U m i ei 2 i 物理学会荒船 40

41 0ν ββ 崩壊 宇宙のバリオン数, 陽子崩壊に匹敵する重要性 0ν ββ 崩壊, L 2, B 0 陽子崩壊, 標準理論, B L 0 (by カイラル異常 ) 物理学会荒船 41

42 0ν ββ 崩壊の激しい先陣競争 従来の実験は, m 1eV Ge-76 m meV Heidelberg-Moscow(KKDC) 数年以内に, Te-130 m (GOAL)50meV CUORE Xe-136 m (GOAL)30meV EXO-100 Ge-76 m (GOAL)20meV GERDA Nd-150 m (GOAL)50meV SuperNEMO...XMASS, Candles,... Xe-136 (GOAL)25meV KamLAND m degenerate (m m m ) inverted (m m >>m ) hierarcyも normal (m m m ) hiearchyは, 当分困難, 10meV 観測可能な領域へ cf. 宇宙 : CMB m <1.3eV; CMB+LSS m <0.3eV? 21cm LSS, opt. 3D weak lensing m 10meVまで?, astrophysics? (R.Jimenz et al, 2010) 物理学会荒船 42

43 4% 原子 分子(SUMIRE, LSST,...) (3) 暗黒物質 DAMA,XMASS, その他... 暗黒物質 22% 暗黒エネルギー 74% 物理学会荒船 43

44 重い暗黒物質 WIMP 探索 XMASS 実験 ( 神岡 ):1 トンの Xe 原子が標的 反跳し光を出す ( 直径 80cm Xe 1 トン 光電管 642 本 750 トンの水タンクの中に吊るす ) 暗黒物質 ~10 13 個 / 日通過? Xe Xe 物理学会荒船 44

45 DAMA, XMASS,... 激しい競争 Y.Suzuki, Proc. of "Identification of dark matter 2008", Stockholm, p 物理学会荒船 45

46 暗黒物質の対消滅 γ 線の他, 衛星, 気球による陽電子, 反陽子 PAMELA 衛星 打ち上げ 20.5cm 2 sr 永久磁石と Silicon 検出器 O.Adriani et al,. Nature 458(2009)p.607 BESS 気球実験 ( 反陽子 反ヘリウム ) 陽電子 (PAMELA) 反陽子 物理学会荒船 46

47 対消滅のニュートリノを探索 物理学会荒船 47

48 結び 宇宙 + 地下 + 加速器手段は多様, 目標は共通分野の垣根を越えた研究 (Beyond the standard model) 物理学会荒船 48

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