毎秒、粒子はほぼ光の速度で体内を通過します。強力な星間物質である宇宙線が地球の大気の原子に絶えず衝突する空の嵐から雨が降ります。衝撃は分離して粒子のシャワーとなり、地面に降り注ぎます。

科学者たちはこれらの宇宙嵐を1世紀以上研究してきましたが、それらがどのように形成されるのかについては正確な理解がありません。多くの研究者は、より鮮明な画像を探しており、研究するために空を見る必要さえありません。代わりに、粒子衝突型加速器、スイスのCERNにある大型ハドロン衝突型加速器を使用できます。

私は素粒子物理学者のチームとともに、宇宙の嵐がどのようにして起こるのかを研究しています。私たちは世界初の酸素原子と陽子との実験室衝突を利用して、実験室で宇宙線をシミュレートします。私たちの結果は現在、Physical Review Letters に掲載されています。

宇宙線とは何ですか?

20世紀初頭、物理学者のヴィクター・ヘスは熱気球に乗って宇宙線を発見しました。数キロメートル上昇するにつれて、機器は放射線レベルが予想外に上昇し続けていることを発見した。彼はこれらの光線は宇宙から来ているに違いないと推測し、この発見により 1936 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

驚きはそれだけではありませんでした。その後の実験で、この宇宙放射線には反物質と呼ばれる新種の物質が含まれていることが判明した。これらの新しいタイプの物質には、ミューオン、パイオン、カオンが含まれます。これらの粒子は原子内の電子、陽子、中性子に似ていますが、一瞬しか存在しないため、見るのが難しくなります。これらの物質の構成要素は、現代の素粒子物理学の理論を完成させるのに役立ちました。

今日、科学者たちは、宇宙線が高速で移動する原子核、主に水素である原子の重い中心であることを理解しています。しかし、疑問は未解決のままだ。彼らはどこから来たのでしょうか？彼らはどのようにしてそのような高いエネルギーに達するのでしょうか？

科学者たちは、宇宙線が宇宙の非常に高温で遠い領域から来ており、爆発する星や超大質量ブラックホールと呼ばれる強力な物体によって放出されることを示唆する手がかりを発見しています。

宇宙線は他の分野でも役立ちます。 1950 年代に、科学者たちはこれらを使用して古代の遺物の炭素年代測定に使用できることを発見し、考古学に革命をもたらしました。最近では、宇宙線は地質学者が活火山の隠れた部屋を見つけるのに役立ち、考古学者は宇宙線を利用して古代エジプトのピラミッドの隠された墓を明らかにしています。このイメージングは​​、これらの物体に向かって飛んでくる宇宙粒子を岩石がどのようにそらすかを測定することによって機能します。

コズミックシャワーはどのようにして生まれるのでしょうか？

宇宙嵐を研究する通常の方法は、数百台の特殊なカメラを地上数キロメートルに設置することです。これらのカメラは一緒になって 1 つの望遠鏡として機能します。最大規模のものの 1 つは、ユタ州の高地の砂漠にあるテレスコープ アレイ プロジェクトです。この実験では、宇宙で最も高いエネルギーを持つ粒子を調べます。

地球に衝突する宇宙物質に関する情報を解読するには、科学者はコンピューターを使用して空気中の粒子の嵐をシミュレートする必要があります。しかし、長年の問題が存在します。それは、空に粒子シャワーがどのように形成されるかについての予測が、コンピューターのモデルによって異なるということです。

科学者は、上空での実際の衝突を説明するモデルがある場合、それを知る必要があります。それを知るにはデータが必要です。これまでにこのような粒子シャワーの発生に近づいた実験はありませんでした。そこで私は数年間、物理学者のリディア・ベレスフォードと協力して、宇宙線を研究するために CERN 粒子衝突器にある既存の装置を再構成することを提唱してきました。

研究室で宇宙線を再現する酸素ビーム

2025 年 7 月 1 日、CERN の科学者がこの実験を先駆的に開始しました。彼らは、世界で最も強力な粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器を使用して、初めて酸素原子を陽子と衝突させました。数日間、研究室で宇宙嵐を再現した。

この新しい実験では、陽子線が宇宙線の役割を果たし、酸素ビームが地球の大気の役割を果たしました。各衝突のエネルギーは粒子のジェットとなり、宇宙嵐の最初の瞬間を再現しました。

大型ハードロン衝突型加速器では、複数の粒子カメラが衝突の写真を撮影します。私が働いている部屋の 1 つは ATLAS 実験と呼ばれています。この巨大な装置はサッカー場ほどの大きさがあり、何千人もの科学者が協力して運営しています。

ATLAS の中心となる高速カメラは、1 日に 2 億枚以上の写真を撮影できます。携帯電話のカメラ センサーと同様に、多数のシリコン センサーを使用して粒子のクローズアップ ポートレートを撮影します。

宇宙嵐の初のクローズアップ写真

私たちは物理学者の小さなチームと一緒にこれらの画像を分析し、その写真を使用して、衝突によって生成された粒子の数と、衝突からどのようなエネルギーで生成されたかを測定しました。私たちは、コンピューター モデルの予測よりも 10 倍以上正確にこれらの粒子の特性を測定することができました。

私たちの結果は、より重い原子と比較して、高エネルギー宇宙線のどれくらいが水素で構成されているかを判断するのに役立ちます。その組成を理解することで、その起源についての重要な手がかりが得られる可能性があります。このような貴重なデータを共有できてうれしく思います。そこで私たちはすぐに ATLAS コラボレーションの専門家からフィードバックを求め、結果を公開する許可を得ました。

私たちの研究は、素粒子物理学と高エネルギー天体物理学の間のつながりを新たにします。どちらの分野にも重複する部分が多く、歴史を共有していますが、依然として別々の分野であり、互いに協力することで学ぶべきことがたくさんあります。私と同僚は、これらの結果が宇宙嵐に対する科学者の理解を深め、宇宙の最も極端な現象の解明に役立つことを願っています。