138億年前、この宇宙はビッグバンと呼ばれる極めて高いエネルギー状態からはじまりました。現在までの宇宙の成り立ちや、銀河や星の進化、ブラックホールや中性子星、ガンマ線バーストといった極限宇宙天体の形成、ダークマターやダークエネルギーといった標準理論を超える新物理など、宇宙は人類にとって未だに多くの謎に満ちています。

　これらの謎を解明する新たな手がかりが、地球に到来する高エネルギーの放射線「宇宙線」です。これまでの観測で10の20乗電子ボルトを超える「極高エネルギー宇宙線」が地球へ到来していることが明らかになりました。地球最大の粒子加速器で到達できるエネルギーより1000万倍以上も大きいエネルギーをもつ宇宙線の観測は、その起源・加速機構の解明に加えて、ビッグバン直後の宇宙の成り立ちをひも解くことが期待されています。以下では、極高エネルギー宇宙線の観測的研究の最新成果について紹介します。

　私は、北半球最高感度を誇る宇宙線実験であるテレスコープアレイ実験の建設作業から参加し、宇宙線の定常観測を続けています。極高エネルギー宇宙線は、地球大気へ入射する時に大量の二次粒子群「空気シャワー」を生成します。

　私たちの研究グループは、この空気シャワーを地表で計測する地表粒子検出器アレイで、図1の観測史上最大級の244エクサ電子ボルト（= 2.44×10の20乗電子ボルト）のエネルギーもつ宇宙線を発見しました[Telescope Array Collaboration, Science 382, 903-907 (2023)]。興味深いことに、この巨視的なエネルギーを持った宇宙線は、近傍の有力な起源候補天体が少ない「局所的空洞」と呼ばれる方向から到来しており、標準理論を超える新物理が起源となった可能性も考えられ、その成因について多くの議論が始まっています。

　2013年にノーベル物理学賞の対象となったヒッグス粒子は「ゴッド粒子」と呼ばれ、1991年に検出された320エクサ電子ボルトのエネルギーをもつ宇宙線は「オーマイゴッド粒子」と呼ばれています。今回の宇宙線は、発見者が日本人だったこと、現地時間の明け方に検出されたこと、今後もさらにこのような極めて高いエネルギーを持った第二、第三の宇宙線の検出が期待されることから「アマテラス粒子」と命名されました。

　私たちの研究グループは、天体観測で使用されるすばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラを直接貫通する宇宙線が作り出す飛跡に着目しました（図2）。すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラは、独自開発した100枚を超える大型 (6 cm × 3 cm) の撮像素子Charge Coupled Device (CCD) からなり、2013年から宇宙の星や銀河の観測を続けています。2014年から2020年までにすばる望遠鏡で撮影された約17,000枚の画像ついて宇宙線飛跡情報を再解析したところ、合計13枚において通常の宇宙線飛跡数より顕著に多い画像が見つかり、極高エネルギー宇宙線によって生成された空気シャワーを「可視化」できていることを報告しました [S. Kawanomoto et al., Scientific Reports 13, 16091 (2023)]。

　超広視野主焦点カメラを直接貫通する宇宙線を可視化できるこの方法は、従来の方法では不可能な空気シャワーを構成する粒子ひとつひとつを可視化できており、空気シャワー自身の理解をより深めることや、ダークマター探査の新たな手法として応用できる可能性も考えられています。また、通常であればノイズとして除去される宇宙線の飛跡を積極的に活用した、「捨てる神あれば拾う神あり」の解析となっています。

図2 すばる望遠鏡で観測された空気シャワーの飛跡。約6 cm × 3cmの範囲には、ひとつの粒子が作り出された大量の二次粒子群「空気シャワー」の

　　ひとつひとつの粒子が「可視化」されています。

　私は、宇宙線への感度を一桁向上させる次世代実験へ向けた開発研究として、従来の望遠鏡よりも小さい集光部とわずか4本の直径20 cmの大口径の光電子増倍管で構成された、新型の宇宙線望遠鏡の開発を続けています。極高エネルギー宇宙線の観測に特化したデザインによって従来の10分の1という低コスト化を実現し、この新型望遠鏡を等間隔でアレイ状に設置することで感度を飛躍的に向上させることを目指しています（図3）。

　私たちの研究グループは、テレスコープアレイ実験サイトにこの新型の宇宙線望遠鏡を3台設置し、遠隔操作による極高エネルギー宇宙線の検出に成功しました [M. Malacari et al., Astroparticle Physics 119, 102430 (2020)]。この新型望遠鏡は、現在稼働中の宇宙線観測装置の性能を比較する目的としても使用されています。

　大阪公立大学大学院理学研究科の「宇宙線物理学研究室」では、宇宙線の起源・加速機構の解明を目指し、観測的研究を日々進めています（図4）。本研究室では大学院生が主戦力となって、現代宇宙物理学の最大の謎のひとつである宇宙線の発生源の解明に挑戦しています。

　結びの句は、テレスコープアレイ実験の観測サイトの明け方に到来したアマテラス粒子が、まだ観測できていない宇宙の未知を知る、「みちしるべ」となる期待をこめて詠みました。宇宙線の研究は人生をかけて挑戦する価値がある、とても楽しい魅力的な研究分野です。誰も知らない宇宙の謎を明らかにするために、ぜひ一緒に研究しませんか？

あまてらす　まだ観ぬ宇宙の　みちしるべ