【研究領域課題番号】18H01227 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 素粒子実験 / 実験核物理 / 国際協力 / 加速器 / 超前方散乱 / 偏極実験 / CERN / 原子核実験 / 衝突型加速器 / ハドロン相互作用 / 空気シャワー / ニュートリノ

【研究成果の概要】

10の14乗から17乗電子ボルトの超高エネルギー宇宙線が起こす空気シャワーの精密理解のために、LHC13TeV陽子陽子衝突、及びRHIC510GeV偏極陽子陽子衝突での超前方に放出される中性粒子の研究を行ない、LHCとRHICの衝突エネルギー間での超前方ガンマ線生成のファイマンスケーリング則の成立、ATLAS実験との連動解析、RHIC横偏極衝突での超前方中性パイ中間子放出の左右非対称性の発見、などの成果を得た。また超前方粒子生成を担う回折散乱が空気シャワー発達に及ぼす影響について理解を進めた。加えて、LHC Run-3や陽子-酸素原子核衝突などの将来の測定への準備を行なった。

【研究の社会的意義】

核子―核子衝突での超前方粒子生成は、最もありふれた散乱事象であり、二次粒子が最も大きな縦運動量を担う過程として、宇宙線の空気シャワー発達や、大気ニュートリノ生成などに重要である。本課題では、2種の衝突型加速器LHCとRHICと用いて、10**14eVから10**17にいたるエネルギー領域で超高エネルギー宇宙線の超前方生成中性粒子を研究するLHCfおよびRHICf実験を推進し、その包括的解明を進めてきた。これらは世界で初めての貴重な測定データであり、宇宙線物理から高エネルギースピン物理まで幅広い分野を横断したユニークな横断研究の創出にもつながっている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】26247037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 加速器実験 / 国際協力 / 実験核物理 / 素粒子実験 / 国際研究者交流 / ラージハドロンコライダー / CERN / 加速器 / LHC / RHIC

【研究成果の概要】

超高エネルギー宇宙線の観測手段である空気シャワーの精緻な理解のため、２つの衝突型加速器、CERN LHC及びブルックヘブンRHICにおいて、超前方生成ガンマ線、中性子、及び中性π中間子のエネルギースペクトル測定を行なった。宇宙線エネルギーとして10**14eVから10**17eVに至る幅広いエネルギーにおいて宇宙線ハドロン相互作用の研究を行ない、超前方粒子スペクトルの衝突エネルギー不変性「ファイマンスケーリング」の検証を行なった。さらにLHC ATLAS検出器との連動解析を行い、回折的散乱と非回折的散乱それぞれからの超前方ガンマ線生成スペクトルを明らかにした。

【研究の社会的意義】

超高エネルギー宇宙線の空気シャワー観測において、特に衝突エネルギーの大部分を担う超前方への粒子生成について、加速器実験データの不在による不定性が問題だった。本研究は、これまでで最高エネルギーである10**17eV相当の宇宙線が起こす超前方粒子生成について、LHCを用いた測定を行い初めて明らかにした。さらに、RHICでの測定を行い、単一検出器による10**14eVから10**17eVの幅広いエネルギー領域における系統的な超前方粒子生成データを取得し、衝突エネルギー依存性を明らかにした。また、RHICでの測定は偏極陽子陽子衝突での超前方測定として新しい核子構造研究の道を開くと期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】40,690千円 (直接経費: 31,300千円、間接経費: 9,390千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】25287056 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高エネルギー宇宙線 / 衝突型加速器 / カロリーメータ / 原子核衝突実験 / LHC / ハドロン相互作用 / 宇宙線 / 加速器 / 高エネルギー原子核反応 / LHC加速器 / 放射線計測 / ハドロン反応

【研究成果の概要】

高エネルギー宇宙線は空気シャワー現象を通して観測される。空気シャワー発達の素過程を理解するために加速器陽子陽子衝突データが利用されているが、本研究は将来の軽原子核衝突のための検出器の基礎開発である。既存のシリコンピクセル検出器とタングステン板を利用したカロリーメータを製作し、シャワー中の複数粒子の測定に成功した。またシミュレーション計算によって、LHC 酸素酸素衝突を実現した場合、ピクセルサイズ 2mm程度が最適であることを明らかにした。新しい検出器の必要性は、 LHC forward physics working groupが編纂したレポートにまとめ公表された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】25257203 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 宇宙物理 / 宇宙科学 / 国際宇宙ステーション / 加速器

【研究成果の概要】

宇宙線観測装置CALETは平成27年8月に打上げられ、宇宙ステーションで電子、ガンマ線、原子核の観測を行っている。高エネルギーの宇宙線を検出する装置の性能は、検出器内で起こる粒子の相互作用をシミュレーションすることによって評価されている。したがって、シミュレーションで用いられる相互作用モデルを加速器ビームによって実際に検証し、シミュレーションの信頼性を確保することは非常に重要である。そこで、CALET実機の地上検証モデルを製作し、スイスのCERN（欧州合同原子核研究機構）のSPS加速器を利用して重イオン（重陽子～アルゴン）を照射して、シミュレーションで実験データを再現できることを確認した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】20740130 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超高エネルギー宇宙線 / 相互作用モデル / シンチレータ / LHC原子核衝突 / 宇宙線 / 宇宙物理 / 加速器 / 放射線、X線、粒子線 / 最高エネルギー宇宙線 / LHC加速器 / ハドロン相互作用

【研究成果の概要】

欧州合同原子核研究機関(CERN)・LHC加速器における将来の原子核衝突を用いた相互作用検証実験の可能性を探った。現在のLHCf実験装置の利用を仮定した時、既存モデルの弁別・粒子多重度・放射線損傷の観点から、窒素衝突に対して重要な実験が可能であるが、鉛衝突では装置設計の変更が必要であることが明らかになった。また、放射線損傷を抑えるために、無機結晶シンチレータGSOの基礎特性を測定し、現在用いているプラスチックシンチレータと同じ性能で高い耐性が得られることが明らかになった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】20403004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 素粒子実験 / 加速器 / 実験核物理 / 国際協力 / 国際研究者交流 / スイス:伊:米:仏

【研究成果の概要】

2009-2010年の0.9TeV及び7TeVでのLHC陽子陽子衝突に於いて、超前方領域における中性粒子の測定LHCf実験を行い、超高エネルギー宇宙線の空気シャワー形成に重要な0度ガンマ線スペクトルを測定した。7TeV衝突での0度でのガンマ線エネルギー分布の解析を進め、ハドロン相互作用モデルとの比較を行った最初の成果を公開した。その結果、データは従来のハドロン相互作用モデルの予測とは完全には一致せず、空気シャワー実験の解釈に一定の影響を及ぼすと示唆される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】18204020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 加速器

【研究成果の概要】

テレスコープアレイ実験では、米国ユタ州の砂漠において極高エネルギー宇宙線が大気中で生成する巨大空気シャワーを大気蛍光望遠鏡で観測する。観測したエネルギーを絶対較正するために、小型電子線形加速器(EMAX=40MeV,出力6.4mWでTA-LINACと呼ぶ)をユタ州の観測サイトに設置し、エネルギーと強度が分かった電子ビームを大気中に射出して、それによって発生する空気シャワーを大気蛍光望遠鏡で観測して、望遠鏡部のend-to-endの絶対較正するという画期的な方法を考案した。そこでTA-LINACの性能として、40MeVのエネルギーを1%の決定精度で出力することと、定格出力160pC/pulse(1μsec幅)のビーム電流値を数%以内の精度で測定するという目標を立てた。研究分担者の他に宇宙線研究所の研究員の芝田達伸と博士課程の池田大輔が協力している。
本科研費を受け、ビームシミュレーションをもとにTA-LINACの設計を行い、ビームによるシャワー観測のシミュレーションを行って絶対較正方法を検討した。高エネルギー加速器研究機構(KEK)において、その建設を行い、2008年1月に完成し、加速ビームの観測に成功した。ビームエネルギーを決定する90度偏向電磁石の磁場の値を1%以下で決定できた。更にビームエネルギーの安定性に影響する磁場の安定性も測定し、エネルギーの揺らぎは中心値39.75MeVに対して±0.01%程度であった。所定の1μsec幅の出力も確認した。また、ビームラインの最下流に設置したファラデーカップによってビームの絶対電荷量を測定し、取り出しビーム窓の直前に設置したコアモニターでビーム電流値の相対値を測定した結果、これらの相関関係を±5%程度の系統誤差で測定することができた。これら目標とした性能を確認した後に、TA-LINACを米国ユタ州へ輸送した。米国・ユタ州では、TA-LINACの設置場所におけるコンクリートの基礎と放射線管理用フェンス等の工事が行われている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】45,630千円 (直接経費: 35,100千円、間接経費: 10,530千円)

【研究分野】地質学

【研究領域課題番号】17654094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地質学 / 地球化学 / 宇宙線 / 加速器 / 年代学

【研究成果の概要】

本研究の目的は,「地表生成の」放射性核種アルミニウム26(半減期71万年)とベリリウム10(半減期150万年)に基づいて,十万〜数百万年前の陸域堆積物に対する新たな年代決定法を開発することである.本年度も,世界最古の湖であるバイカル湖の湖底堆積物深層部から得られた試料を対象に,堆積物粒子の内部に保存された極微量のアルミニウム26とベリリウム10を加速器質量分析法により分析し,それに基づいた年代決定の可能性を検討した.前年度見い出されたアルミニウム26濃度とベリリウム10濃度及びアルミニウム26/ベリリウム10比の深度方向への減少傾向は,今年度得られたデータにおいてもより補強された.またアルミニウム26濃度が,ベリリウム10濃度やアルミニウム26/ベリリウム10比よりも,固有の半減期に沿って分散の少ない良い減衰曲線を描くことも変わらなかった.
こうした各核種濃度の振る舞いの原因を探求するために,実験系の再検討や集水域から湖への物質移動のモデル化を行った.その結果,実験系には大きな問題は認められなかった.バイカル湖の集水域を模して構築した物質移動のモデルにおいても,アルミニウム26の初期濃度を他よりも一定化させる必然性は,導き出せなかった.
一方で,バイカル湖集水域にてより標高が高く宇宙線照射の強い場所にある古代湖,フブスグル湖の湖底堆積物についても同様の分析を試みた.その結果は現在解析中である.解析された結果を総括し,平成20年度に開催される加速器質量分析の国際会議などにて,今後発表する予定である.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】2,900千円 (直接経費: 2,900千円)