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Search for point like sources of ultra high energy cosmic rays by evaluating small scale clusters of cosmic ray arrival directions observed by the Telescope Array

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氏 名 奥田 剛司 学 位 の 種 類 博士(理学) 学 位 記 番 号 第 5597 号 学位授与年月日 平成 23 年 3 月 24 日 学位授与の要件 学位規則第 4条第 1項 学 位 論 文 名 Search for point like sources of ultra high energy cosmic rays by evaluating small scale clusters of cosmic ray arrival directions observed by the Telescope Array (テレスコープアレイで観測された宇宙線の到来方向クラスタリング特性を 用いた超高エネルギー宇宙線の点源探索) 論文審査委員 主 査 教 授 林 嘉夫 副 査 教 授 神田 展行 副 査 准教授 荻尾 彰一 論 文 内 容 の 要 旨 宇宙線とは宇宙から飛来する高エネルギーの粒子やガンマ線である。到来した高エネルギー宇宙線 は大気分子と相互作用し、多数の粒子やガンマ線を生成する。これが空気シャワーと呼ばれる現象で ある。宇宙線の到来頻度はエネルギーの増加と共に減少し、10EeV 以上の宇宙線の到来頻度は1平方 キロメートルに1年に1個程度である。超高エネルギー宇宙線の種類や起源や宇宙空間での伝播や相 互作用についての知識は宇宙や高エネルギー物理の理解に繋がる。テレスコープアレイ実験(TA) は超高エネルギー粒子が生成した空気シャワーをアメリカ合衆国ユタ州中西部の砂漠で観測する装 置である。TAは異なる二種類の検出器を用いており、一つは大気蛍光望遠鏡(FD)、もう一つは 地表粒子検出器(SD)である。SDの観測は 2008 年の 3 月から行われている。この論文ではTA SDで観測された 10EeV 以上の宇宙線のデータ 850 日分を用いて、到来方向が小さい領域に集まって いるかを調べ、超高エネルギー宇宙線の起源としての点源の探索を行った。例えば、40EeV 以上のイ ベントは 42 個あり 2.5 度以内の領域に集まっている数は1つで、等方的な分布からの期待値は 0.84 で標準偏差は 0.919 であった。10EeV 以上のいくつかのエネルギー閾値以上のデータから、その宇宙 線の点源となりうる到来方向のクラスターは等方的な分布以上には見つけることができなかった。こ の結果は仮に超高エネルギー宇宙線が陽子とした場合、銀河間磁場が非常に弱くかつ宇宙線起源が点 源的なものでその密度がさほど多くないという仮説を支持しない。 論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 1019eV 以上の宇宙線(エネルギースペクトラム、組成、到来方向等)は宇宙線物理学の分野の最大 の謎のひとつである。このエネルギー領域の宇宙線はその到来頻度が非常に低く、1km2に1年に1 個程度であり、その検出には非常に大きな装置が必要となる。その解決のために世界中でいくつかの 大規模実験が行われ、また計画されている。その一つとして、日米を含む国際共同研究としてテレス コープアレイ(TA)ががアメリカ・ユタ州に建設され、2008 年 3 月から本格的な観測を開始した。 筆者は TA の2つの検出器のうち地表粒子検出器の建設時から参加し、その建設・調整・運転に携わ り、また、その観測結果の解析も行い、特に到来方向決定には独自の方法を用いて、今までの結果よ りも精度が良いと期待されている。 本研究では到来方向が小さい領域に集まっている(クラスター)かを調べ、超高エネルギー宇宙線 の起源としての点源の探索を行った。例えば、4×1019eV 以上の宇宙線 42 個あり 2.5 度以内の領域に 集まっている数は1つで、等方的な分布からの期待値は 0.84 で標準偏差は 0.919 であった。その結 果、宇宙線の点源となりうる到来方向のクラスターは等方的な分布以上には見つけることができなか った。この結果は超高エネルギー宇宙線が陽子とした場合、銀河間磁場が非常に弱くかつ宇宙線起源 が点源的なものでその密度がさほど多くないという仮説を支持しない。 以上のように本論文で得られた結果は宇宙線物理学に関する基礎的な情報を与えた。このことによ り、博士(理学)の学位を授与するに値するものと審査した。

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