日米共同BESS-Polar実験  世界最高感度で反ヘリウム原子核を探索

平成24年4月20日

大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
独立行政法人 宇宙航空研究開発機構
国立大学法人 東京大学




本研究成果のポイント
・日米共同BESS-Polar(ベスポーラー)実験※1において南極周回長時間気球飛翔※2により1ヶ月以上に及ぶ宇宙線観測を実施。56億例の宇宙線を観測することに成功。
・宇宙線観測により得られたデータから反ヘリウム原子核を世界最高感度で直接探索。その結果、我々の周りには反物質が優勢な世界が存在しないことが示された。

 

【概 要】

南極上空を周回する高高度気球(図1)による宇宙線観測実験(BESS-Polar)は、これまでに2度の宇宙線観測(2004, 2007-2008)に成功した。今回の結果は合計1ヶ月以上に及ぶ宇宙線観測により得られたデータから反ヘリウム原子核※3を探索したものである。
探索は1~14GVのRigidity(運動量/電荷)範囲で行われ、4800万例のヘリウム核が観測された中で、反ヘリウム核は一例も観測されなかった。この結果に今までのBESS実験※4のデータを合わせて、ヘリウム核に対する反ヘリウム核比の上限値を6.9×10-8(存在比の上限が1千万分の1以下)とする結果を得た。これは、我々の周りにおける反物質が優勢な世界の存在をこれまでで最も高感度で直接探索したものである。
この研究成果は、アメリカ物理学会が発行する学術雑誌「Physical Review Letters」(Received 13 January 2012; published 29 March 2012)にて掲載され、「編集者が推薦する興味深い成果」(Editors’Suggestion)に選ばれた。

【背 景】

宇宙における物質と反物質の非対称性は素粒子物理・宇宙物理の根幹に関わる大きな問題であるが、その詳細はまだよくわかっていない。宇宙初期に存在したはずの反物質はその大部分は消滅してしまったと考えられているが、所々にポケットのように孤立する反物質が優勢な世界として生き残っている可能性も指摘されている。その直接検証には、我々の銀河に飛来する宇宙線の中に反物質の成分を探すよりほかないが、例え存在しても、その量は極めて微少であり、しかも大気との衝突により失われてしまうという困難があった。

【研究内容と成果】

BESS-Polar実験は高エネルギー加速器研究機構(KEK)、宇宙航空研究開発機構/宇宙科学研究所、東京大学、神戸大学、NASAゴダードスペースフライトセンター、メリーランド大学、デンバー大学を参加機関とする日米共同実験で、大型大広角超伝導スペクトロメータ(図2) ※5を高高度気球により36km以上の高空にあげることで、宇宙から地球に降り注ぐ宇宙線を大気の影響を受けることなく高精度で直接観測し、その中に含まれるかもしれない反物質の探索を行っている。
今回の成果は、2004年、2007-2008年に南極で実施されたBESS-Polar実験で得られたデータを用いた反ヘリウム核の探索結果である。カナダ北部におけるBESS実験では1度に1~2日の観測が限度であったが、BESS-Polar実験では、2回の南極周回長時間気球飛翔により、それぞれ8.5日、24.5日と合計1ヶ月以上に及ぶ宇宙線観測を実現し、56億例の宇宙線を観測することに成功した。観測したデータから、まず電荷2をもつ粒子(ヘリウム核および反ヘリウム核)を選別し、最終的に超伝導磁石で発生する0.8テスラの強磁場による軌道偏向の違いを利用して、正電荷のヘリウム核と負電荷の反ヘリウム核を明確に識別した。反ヘリウム核の探索は1~14GVのRigidity(運動量/電荷)範囲で行われ、4800万個のヘリウム核が観測された中で、反ヘリウム核は1例も観測されなかった。この結果にこれまでに行われたすべてのBESS実験の結果をあわせると反ヘリウム核/ヘリウム核存在比の上限値として6.9×10-8が得られた(図3)。これは、反ヘリウム核の探索結果としてはこれまで得られたものの中で最も高感度なものであり、カナダ北部でのBESS実験が開始された1993年以前の探索結果(存在上限比、1万分の1のレベル)と比べて、3桁、観測感度を高める探索成果である。




論文名:Search for Antihelium with the BESS-Polar Spectrometer
    (BESS-Polar スペクトロメーターによる反ヘリウムの探索)
雑誌名:Physical Review Letters(2012年3月30日)
    DOI:10.1103/PhysRevLett.108.131301

 

【本研究の意義】

今回の結果では、BESS実験が始まる以前から比較すると1000倍も感度を上げることに成功し、我々の周りには反物質優勢な世界が存在しないことを世界最高感度で、最も直接的な証拠として示すことができた。

本成果は、科学研究費特別推進研究 研究課題名:「南極周回飛翔・超伝導スペクトロメーターによる宇宙起源反粒子の精密探査-BESS-Polar実験-」・科学研究費基盤研究S 研究課題名:「南極周回飛翔超伝導スペクトロメータによる太陽活動極小期の宇宙起源反粒子探査」研究代表者:山本明(高エネルギー加速器研究機構超伝導低温工学センター教授)、科学研究費基盤研究B 研究課題名:「長時間飛翔観測による一次宇宙線スペクトルの短期過渡変動の研究」・科学研究費基盤研究C 研究課題名:「長時間気球観測データを用いた宇宙線反重陽子・反ヘリウムの精密探索」研究代表者:吉村浩司(高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所准教授)によって得られたものである。

【お問い合せ先】

<研究内容に関すること>
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
超伝導低温工学センター 教授 山本 明(やまもと あきら)
Tel: 029-864-5459
Fax: 029-864-3209
E-mail: akira.yamamoto@kek.jp

大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
素粒子原子核研究所 准教授 吉村 浩司(よしむら こうじ)
Tel: 029-864-5421
Fax: 029-864-7831
E-mail: koji.yoshimura@kek.jp

独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
学際科学研究系 教授 吉田 哲也(よしだ てつや)
Tel: 050-3362-7824
Fax: 042-759-8234
E-mail: yoshida.tetsuya@jaxa.jp

国立大学法人 東京大学ビッグバン宇宙国際研究センター(RESCEU) 
センター長 教授 牧島 一夫(まきしま かずお)
Tel: 03-5841-4171
Fax: 03-5841-7638
E-mail: maxima@phys.s.u-tokyo.ac.jp

<報道担当>
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
広報室長 森田 洋平(もりた ようへい)
Tel: 029-879-6047
Fax: 029-879-6049
E-mail: press@kek.jp

独立行政法人 宇宙航空研究開発機構
宇宙科学研究所 広報・普及係
Tel: 042-759-8008
Fax: 042-759-4251
E-mail: ISAS-KOUHO@jaxa.jp

図1 南極上空を周回する高高度気球(気球打ち上げの直前)

図2 BESS-Polar測定器:大広角超伝導スペクトロメータ(BESS-PolarⅡバージョン、重量は約2トン)

図3 反ヘリウム核/ヘリウム核の存在比の上限で示した反物質探索の進展。BESSおよびBESS-Polar 実験によって、上限比が1千万分の1以下という世界最高感度での探索が進展した。

【用語解説】

※1 BESS-Polar(ベスポーラー)実験
BESS-Polar実験は、BESS実験の成果を踏まえて、南極周回長時間気球飛翔による飛躍的な感度向上を目指した大型超伝導スペクトロメータを用いた日米共同宇宙粒子線観測気球実験。高エネルギー加速器実験で開発された超伝導技術や粒子検出技術を飛翔体(大型気球)による高空での宇宙線観測に応用し、宇宙から地球に飛来する微量の反陽子を精密に観測するとともに、極微量飛来している可能性のある反物質を探索することによって、「宇宙における素粒子現象」の探求を目的としている。参加機関は高エネルギー加速器研究機構(KEK)、宇宙航空研究開発機構/宇宙科学研究所、東京大学、神戸大学、NASAゴダードスペースフライトセンター、メリーランド大学、デンバー大学。2004年、2007/2008年に南極大陸上空において、それぞれ8.5 日、24.5日の宇宙線観測に成功した。

※2 南極周回長時間気球飛翔
大型科学観測気球による測定器を36km~40kmの成層圏に持ち上げ、南極点を中心に周回する風にのせて10日~2週間で一周の飛翔を複数周重ねることにより、高い統計での宇宙線観測を行うことができる。①磁極に近いため低エネルギーの宇宙線が観測できる、②南極の夏期には日没がないために気球高度調整のためのバラストが不要、③太陽電池により電力を供給し続ける事ができる等のメリットがある。

※3 反ヘリウム原子核
ヘリウム原子核の反粒子。反陽子2個と反中性子2個で生成されている。重イオン衝突型加速器による実験で素粒子反応により生成されることがわかっているが、その確率は極めて低く、もし宇宙線の中に一例でも見つかれば、反物質が優勢な世界から飛来してきたものである可能性が高い。

※4 BESS実験
BESS実験は、1993年から2002年まで、宇宙の起源の反陽子及び反物質の探索、各種粒子宇宙線の精密測定を行う目的で、主にカナダ北部で実施されてきた日米共同宇宙粒子線観測気球実験。参加機関は、高エネルギー加速器研究機構(KEK)、宇宙航空研究開発機構/宇宙科学研究所、東京大学、神戸大学、NASAゴダードスペースフライトセンター、メリーランド大学の6機関が参加。成果をBESS-Polar実験へ継承。

※5 超伝導スペクトロメータ
超伝導磁石により強力な磁場を発生させて、荷電粒子と磁場の相互作用(ローレンツ力)により荷電粒子を偏向させ、その曲がり具合から粒子の運動量を精密に測定する装置。超伝導技術の活用により、充電後は、電力供給を必要とせず、磁場を保つことができる。
BESSおよびBESS-Polar実験では気球実験用に開発された超軽量かつ極薄肉の超伝導ソレノイドと大広角の飛跡検出器を同軸上に配置して搭載することで、これまでにない大面積立体角と高運動量分解能を達成している。

関連サイト

BESSグループのwebページ
宇宙起源反粒子の研究
NASAゴダードスペースフライトセンター
宇宙航空研究開発機構(JAXA) 気球部門公式ページ
宇宙航空研究開発機構ホームページ (インタビュー)吉田哲也 大気球で新しいチャレンジ
東京大学理学部物理学科・大学院理学系研究科物理学専攻
東京大学大学院理学系研究科附属ビックバン宇宙国際研究センター(RESCEU)
PROJECT 7 飛翔体を用いた宇宙観測

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