宇宙線

天文学上の未解決問題

なぜ、宇宙線のうちのいくつかは「神の素粒子」と呼ばれるほどの非常に高いエネルギーをもっているのか？ 地球近辺には十分にエネルギーのある宇宙線源がないにもかかわらず、なぜそれほどのエネルギーを持っているのか？ 遠くの線源から放射される宇宙線のうちのいくつかが明らかにGZKカットオフ以上のエネルギーを持っているのはなぜか？

宇宙線（うちゅうせん、英: cosmic ray^[1]）は、宇宙空間を飛び交う高エネルギーの放射線のことである^[2]。主な成分は陽子であり、アルファ粒子、リチウム、ベリリウム、ホウ素、鉄などの原子核が含まれている^[3]。なお、地球にも常時飛来していることが観測されている。

宇宙線のエネルギースペクトル

概要

宇宙線には太陽宇宙線や銀河宇宙線等がある^[4][5]。宇宙線のほとんどは銀河系内を起源とする銀河宇宙線であり、超新星残骸などにより加速されていると考えられている。これらは、銀河磁場で銀河内に長時間閉じ込められるため、銀河内物質との衝突で破砕し、他の原子核に変化することがある。実際、Li、Be、B、Sc、Vなどの元素の存在比が、太陽系内のものと宇宙線中とで大きく異なることが知られている。このため、宇宙線の元素比や同位元素の存在比を測定することで、宇宙線の通過した物質量を推測することが出来る。

エネルギーの高い宇宙線の到来頻度は極端に低くなるが、そのエネルギースペクトルは冪関数 dI/dE∝E^-α(α〜3)で近似できる。このため、宇宙線の加速は熱的なものではなく、星間磁気雲や衝撃波との衝突を繰り返す(フェルミ加速)のような機構が考えられる。

地球大気内に高エネルギーの宇宙線が入射した場合、空気シャワー現象が生じ、多くの二次粒子が発生する。寿命の短いものはすぐに崩壊するが、安定な粒子は地上で観測される。このとき、大気中に入射する宇宙線を一次宇宙線、そこから発生した粒子を二次宇宙線と呼ぶ^[6][7]。一次宇宙線の大部分は陽子をはじめとする荷電粒子である。それに対して、二次宇宙線は地上高度では大半がμ粒子である。

粒子加速器などで人間が作り出せるエネルギーは、重心系で最大10¹³ eVのオーダー（CERNで計画されているLHCが 1.4×10¹³ eV）であり、実験室系に換算しても、10¹⁷ eV程度である。それに対し、宇宙線のエネルギーは実験室系で最大 10²⁰ eVに達する。このため、宇宙線によって超高エネルギー領域での素粒子反応について重要な知見を得ることができる。実際に、様々な新粒子が素粒子実験より先に宇宙線中から見つかった。

一般にはGZK限界を越えるエネルギーを持つ宇宙線（超高エネルギー宇宙線）は観測されないとされているが、その観測を目的とした実験計画（テレスコープアレイ実験）がある。

宇宙線は、集積回路中の素子のようなごく微小な電子装置の誤作動の原因ともなる。基本的なところは他の放射線等と同じだが、地上ではどこへでも降り注いでいる点など特異な点などもあり、理学的な研究としてだけではなく、実務的工学的な対策などが検討される対象でもある。

発見

ビクター・フランツ・ヘスは、気球を用いた放射線の計測実験を1911年から1912年に行い、地球外から飛来する放射線を発見した。この業績により、彼は1936年にノーベル物理学賞を受賞している。

宇宙線による被曝

(自然放射線#宇宙線によるもの)を参照のこと。

生成される娘核種例

• 炭素14 (¹⁴C)

${\displaystyle {\ce {{\it {n}}+{}_{7}^{14}N->{}_{6}^{14}C\ +{\it {p}}}}}$ 

• 三重水素 + 炭素12

${\displaystyle {\ce {^{14}N\ +\ _{}^{1}{\it {n}}->{}_{}^{3}H\ +{}_{}^{12}C}}}$ 

• 三重水素+ 窒素14

${\displaystyle {\ce {^{16}O\ +\ _{}^{1}{\it {n}}->{}_{}^{3}H\ +{}_{}^{14}N}}}$ 

• アルミニウム26 (²⁶Al)

${\displaystyle {\ce {Si\ +\ _{}^{1}{\it {n}}->{}_{}^{26}Al}}}$ 

• ベリリウム10 (¹⁰Be)

${\displaystyle {\ce {Si\ +\ _{}^{1}{\it {n}}->{}_{}^{10}Be}}}$ 

宇宙線実験

• スーパーカミオカンデ
• (カンガルー (物理学))
• テレスコープアレイ実験
• GRAPES-3

など

宇宙線と暗黒物質 (ダークマター)との関係

参考文献

• 住明正,平朝彦,鳥海光弘,松井孝典『地球惑星科学2』岩波書店、2010年。ISBN (978-4-00-006992-2)。 
• 名越智恵子,仲澤和馬,河合聡『放射線とは何か』丸善出版、2011年。ISBN (978-4-621-08421-2)。 
• 宇宙線陽子の生成源を特定 ―フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡による成果を「サイエンス」誌に発表―(2013年2月15日 JAXAプレスリリース)
• JAXAなど、宇宙線陽子が超新星残骸から生成されることを確認(2013年2月15日 マイナビニュース)

出典

• 宇宙線50のなぜ (PDF) 名古屋大学 宇宙地球環境研究所
• 宇宙線の発見　（原子力百科事典 ATOMICA）
• 宇宙放射線の起源　（原子力百科事典 ATOMICA）
• 宇宙放射線の種類　（原子力百科事典 ATOMICA）
• 宇宙放射線の計測　（原子力百科事典 ATOMICA）
• 宇宙放射線のによる年間被ばく （原子力百科事典 ATOMICA）
• 宇宙放射線の影響研究と意義　（原子力百科事典 ATOMICA）
• 宇宙放射線の影響研究の現状　（原子力百科事典 ATOMICA）
• 宇宙線を目で見る装置「スパークチェンバー」　（原子力百科事典 ATOMICA）

脚注

1. ^ ATOMICA「宇宙線」
2. ^ 名越 2011 p.3
3. ^ 住 2010 p.177
4. ^ “乗鞍岳におけるミューオン強度の精密測定”. 東京大学. 2016年7月2日閲覧。
5. ^ “”. JAXA. 2016年7月2日閲覧。
6. ^ “宇宙船搭乗員の放射線防護”. ATOMICA (2002年). 2016年7月2日閲覧。
7. ^ 小玉正弘「宇宙線と土壌科学」『山梨医科大学紀要= 山梨医科大学紀要』第3巻、山梨医科大学、1986年、50-56頁、doi:10.34429/00000870、ISSN 0910-5069、NAID 110000495133。 

関連項目

• 高エネルギー荷電粒子
• 銀河宇宙線
• 太陽エネルギー粒子線
• ニュートリノ天文学
• 空気シャワー
• 霧箱
• スベンスマルク効果

外部リンク

 

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• 宇宙線とは 東京大学宇宙線研究所
• 宇宙線とは？ 名古屋大学宇宙地球環境研究所
• 『(宇宙線)』 - コトバンク