3.3 太陽圏環境研究
高エネルギー粒子の起源と加速機構の解明
[1] 太陽高エネルギー粒子加速機構の解明 １．研究グループの性格 □所内研究 □国内共同研究 ■国際共同研究 ２．担当者 ○准教授 松原豊 助教 﨏隆志 教授 伊藤好孝、 所外共同研究者２５名 参加研究機関数１６ 参加国数 ５ ３．目的 本研究は、宇宙線の起源を解明するため、地球から詳細に観測できる太陽での高エネルギー粒子加速機 構を解明を目的としている。本研究のためには粒子加速が起った時間を知ることが重要で、惑星間空間を太陽 から地球へ直進する中性子をその観測手段とする。具体的には、世界7 箇所の異なる経度に設置された太陽 中性子24 時間観測網により、太陽フレアに伴う高エネルギー太陽中性子の観測を行っている（図１）。 ４．目標を達成するために行った措置 既設の太陽中性子観測網の整備については、以下の通りである。 1)乗鞍では、東京大学宇宙線研究所乗鞍観測所が 2004 年度から冬期閉鎖となるため、太陽電池・風力発電の 自然エネルギーによるデータ収集システムを完成させた(1,22,24)。 2)科研費基盤研究(C)により、ボリビア・メキシコの太陽中性子検出器のデータ収集システムを最新のものに置き 換えた。メキシコの検出器は2003 年にできたばかりのものである(2,23)。 3)スイス、ハワイ、チベットで運転中に故障があった際には、現地研究者とのやりとりで適切に対処した。 一方、これまでの太陽中性子望遠鏡の感度では、太陽中性子望遠鏡のデータだけで加速された粒子のエネ ルギースペクトルや中性子の発生時間分布を求めることが困難であったため、新しい太陽中性子望遠鏡を作る ための設計研究を行った。その結果期待される性能を持った新しい検出器を作れることがわかった(25)。 ５．外部資金の獲得状況 平成16 年度－17 年度: 科研費基盤研究 C「赤道付近の高山における太陽中性子の観測」 3,600 千円 平成15 年度－16 年度 科研費若手研究Ｂ「新しい太陽中性子望遠鏡のための要素開発」 3,800 千円 図１：世界7 ヶ所の観測地点からなる太陽中性子観測網６．得られた成果および研究の現況 太陽フレアによって発生する太陽中性子は、太 陽表面でのイオン加速機構を探る重要なプロー ブである。世界各地に設置した太陽中性子検出 器ネットワークにより観測を行い、これまで１０例 の太陽フレア中性子からベキ加速の描像を得た。 05 年 9 月 7 日に起こった X17 クラスの太陽フレ ア時に、メキシコとボリビアの２箇所で、初の太陽 中性子のエネルギー分布測定に成功した。その 結果、フレア加速において高エネルギーイオン が電子よりも長時間にわたって存在していること がわかった1)。 2004 年以前に得られた太陽中性子 10 イベン トの観測結果については渡邉恭子氏が博士論 文としてまとめ(20,5,6)、太陽中性子のエネルギ ースペクトルがべき型であることを示した。また科 研費で整備したボリビア・メキシコでは2005 年 9 月7 日に太陽中性子を同時検出した(8,9)(図２)。 これは、名大太陽中性子望遠鏡の特徴を生かし て、太陽中性子観測において初めてエネルギー 測定に成功した例であり、X 線放射に比べ太陽 中性子の放出時間が長く、高エネルギーイオン が電子よりも長時間にわたって存在することを証 明した画期的な発見である。同イベントの最初の 論文(8)は、外部から、「研究分野においてブレ ークスルーとなる・本研究分野そのものが新たに 飛躍する可能性がある・これまで未解決であった 問題を解決できる」等、非常に高い評価を受けて いる。現在も詳細な解析が継続中である (19,20)。 ７．今後の課題、将来計画、問題点 ・今後、次期太陽活動期に入り多くの太陽中性 子イベントが期待される。現在の太陽中性子国 際観測網を維持しサンプル数の増加を目指す 上で障害となるのは海外拠点装置の年１回の定 期メインテナンスや故障時の対応である。メイン テナンスの費用は競争的資金では獲得しにくく、 特別教育研究経費等での安定した観測網の維 持が望まれる。 ・今後の改善点はSN 向上とエネルギー測定の 向上である。新型太陽中性子望遠鏡として、中 性子散乱による反跳陽子をフルトラッキングし粒子弁別も可能なフルアクティブ型検出器のR&D を進めており、 従来型に対して４倍以上のSN の改善が見込まれている。予算規模として 1 億円程度のものであり、国際観測網 のうち観測条件・電力環境双方で優れた1 箇所に設置を目標に、検出器デザインの最適化の後に予算申請を 行う予定である。また宇宙ステーション搭載予定のSEDA に搭載される中性子検出器によるスペースからの太陽 中性子観測も検討している。 ８．発表論文リスト（2004 年－2007 年） 査読つき論文
1. Muraki, Y., N. Tateiwa, Y. Matsubara, K. Masuda, Y. Obata, T. Sako, K. Tanaka, T. Yamada, and D. Yamamoto,
図２：2005 年 9 月 7 日にボリビアで観測された太陽中性子信号。 世界で初めて、エネルギー分布の測定に成功した。
A data taking system with low power consumption for cosmic ray research, Nucl. Instr. and Meth., A530, 367－378, 2004.
2. Valdes-Galicia, J. F., Y. Muraki, H. Tsujihara, T. Sako, O. Musalem, A. Hurtabo, L. X. Gonzalez, Y. Matsubara, K. Watanabe, N. Hirano, N. Tateiwa, S. Shibata, and T. Sakai, An improved solar neutron telescope installed at a very high altitude in Mexico, Nucl. Instr. and Meth., A535, 656－664, 2004.
3. Flückiger, E. O., R. Bütikofer, A. Chilingarian, G. Hovsepyan, Y. H. Tan, T. Yuda, H. Tsuchiya, M. Ohnishi, Y. Katayose, Y. Muraki, Y. Matsubara, T. Sako, K. Watanabe, S. Masuda, T. Sakai, S. Shibata, R. Ogasawara, Y. Mizumoto, M. Nakagiri, A. Miyashita, P. H. Stoker, C. Lopate, K. Kudela, and M. Gros, Solar neutron events that have been found in solar cycle 23, Int. J. Mod Phys A, 20, 6646－6649, 2005.
4. Flückiger, E. O., R. Bütikofer, L. Desorgher, M. R. Moser, Y. Muraki, Y. Matsubara, T. Sako, H. Tsuchiya, and T. Sakai, The giant Forbush decrease in October/November 2003: Data analysis for the solar neutron detector at Gornergrat, Int. J. Mod Phys A, 20, 6684－6686, 2005.
5. Watanabe, K., M. Gros, P. H. Stoker, K. Kudela, C. Lopate, J. F. Valdes-Galicia, A. Hurtado, O. Musalem, R. Ogasawara, Y. Mizumoto, M. Nakagiri, A. Miyashita, Y. Matsubara, T. Sako, Y. Muraki, T. Sakai, and S. Shibata, Solar neutron events of October－November 2003, Astrophys. J., 636, 1135－1144, 2006.
6. Watanabe, K. Y. Muraki, Y. Matsubara, K. Murakami, T. Sako, P. Miranda, R. Ticona, A. Velarde, F. Kakimoto, S. Ogio, H. Tokuno, H. Tsuchiya, S. Shibata, T. Sakai, Y. Mizumoto, R. Ogasawara, M. Nakagiri, A. Miyashita, and C. Lopate, Solar neutron events in association with large solar flares in November 2003, Adv.
Space Res., 38, 425－430, 2006.
7. Watanabe, K., Solar neutron events associated with large solar flares in solar cycle 23, Astronomical Herald, Vol. 99, 249-258, 2006.
*8. Sako, T., K. Watanabe, Y. Muraki, Y. Matsubara, H. Tsujihara, M. Yamashita, T. Sakai, S. Shibata, J. F. Valdes-Galicia, L. X. Gonzalez, A. Hurtado, O. Musalem, P. Miranda, N. Martinic, R. Ticona, A. Velarde, F. Kakimoto, S. Ogio, Y. Tsunesada, H. Tokuno, Y. T. Tanaka, I. Yoshikawa, T. Terasawa, Y. Saito, T. Mukai, and M. Gros, Long-lived solar neutron emission in comparison with electron-produced radiaion in the 2005 September 7 solar flare, Astrophys. J., 651, L69－L72, 2006.
9. Watanabe, K., T. Sako, Y. Muraki. Y. Matsubara, T. Sakai, S. Shibata, J. F. Valdes-Galicia, L. X. Gonzalez, A. Hurtado, O. Musalem, P. Miranda, N. Martinic, R. Ticona, A. Velarde, F. Kakimoto, S. Ogio, Y. Tsunesada, H. Tokuno, Y. T. Tanaka, I. Yoshikawa, T. Terasawa, Y. Saito, T. Muraki, and M. Gros, Highly significant detection of solar neutrons on 2005 September 7, Adv. Space Res., 39, 1462－1466, 2007.
10. Muraki, Y., H. Tsuchiya, K. Fujiki, S. Masuda, Y. Matsubara, H. Menjo, T. Sako, K. Watanabe, M. Ohnishi, A. Shiomi, M. Takita, T. Yuda, Y. Katayose, N. Hotta, S. Ozawa, T. Sakurai, Y. H. Tan, and J. L. Zhang, A solar neutron telescope in Tibet and its capability examined by the 1998 November 28th event, Astroparticle
Phys., 28, 119－131, 2007.
査読なし論文
11. Matsubara, Y., Y. Muraki, T. Sako, K. Watanabe, S. Masuda, T. Sakai, S. Shibata, E. Flückiger, R. Bütikofer, A. Chilingarian, G. Hovsepyan, Y. H. Tan, T. Yuda, M. Ohnishi, H. Tsuchiya, Y. Katayose, R. Ogasawara, Y. Mizumoto, M. Nakagiri, A. Miyashita, A. Velarde, R. Ticona, and N. Martinic, Search for solar neutrons associated with proton flares in solar cycle 23, in Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf, Pune, Vol. 1, 17-20, 2005.
Ohnishi, T. Yuda, Y. Katayose, N. Hotta, T. Sakurai, T. Sakai, and Y. H. Tan, Highest energy neutrons detected by a solar neutron telescope in association with the November 28th 1998, solar flare, in Proc. 29th
Int. Cosmic Ray Conf, Pune, Vol. 1, 21-24, 2005.
13. Sako, T., Y. Muraki, K. Masuda, Y. Matsubara, K. Watanabe, H. Menjo, H. Tsuchiya, T. Sakai, S. Shibata, R. Ogasawara, Y. Mizumoto, M. Nakagiri, and A. Miyashita, Possible >10GeV particle detection in association with the May 28 2003 solar flare, in Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf, Pune, Vol. 1, 21-24, 2005.
14. Watanabe, K., Y. Muraki, Y. Matsubara, T. Sako, A. Velarde, R. Ticona, N. Martinic, P. Miranda, F. Kakimoto, S. Ogio, Y. Tsunesada, and H. Tokuno, Solar neutron event associated with an X8.3 flare on 2003 November 2, in Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf, Pune, Vol. 1, 29-32, 2005.
15. Watanabe, K., Y. Muraki, Y. Matsubara, T. Sako, T. Sakai, S. Shibata, C. Lopate, J. F. Valdes-Galicia, A. Hurtado, O. Musalem, L. X. Gonzalez, R. Ogasawara, Y. Mizumoto, M. Nakagiri, A. Miyashita, and M. Gros, Simultaneous observations of solar neutrons in association with a large solar flare on November 4, 2003, in Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf, Pune, Vol. 1, 33-36, 2005.
16. Watanabe, K., Y. Muraki, Y. Matsubara, T. Sako, T. Sakai, H. Tsuchiya, S. Shibata, S. Masuda, M. Yoshimori, N. Ohmori, A. Velarde, R. Ticona, N. Martinic, P. Miranda, F. Kakimoto, S. Ogio, Y. Tsunesada, H. Tokuno, Y. Shirasaki, J. F. Valdes-Galicia, A. Hurtado, O. Musalem, L. X. Gonzalez, R. Ogasawara, Y. Mizumoto, M. Nakagiri, A. Miyashita, P. H. Stoker, C. Lopate, K. Kudela, and M. Gros, Solar neutron events associated with large solar flares in solar cycle 23, in Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf, Pune, Vol. 1, 37-40, 2005.
17. Matsubara, Y., Y. Muraki, T. Sako, K. Watanabe, T. Sakai, S. Shibata, E. Flückiger, R. Bütikofer, A. Chilingarian, G. Hovsepyan, Y. H. Tan, T. Yuda, M. Ohnishi, H. Tsuchiya, Y. Katayose, R. Ogasawara, Y. Mizumoto, F. Kakimoto, Y. Tsunesada, A. Velarde, R. Ticona, N. Martinic, P. Miranda, J. F. Valdes-Galicia, L. X. Gonzalez, A. Hurtado, and O. Musale, Search for solar neutrons associated with series of X-class flares during the declining period of solar cycle 23, in Proc. 30th Int. Cosmic Ray Conf, Merida, paper 191, in press, 2007.
18. Muraki, Y., H. Menjo, and J. N. Capdeville, Fluxed of hadrons, muons and electromagnetic components at the mountain altitude induced by hadrons in the atrmosphere with energies between 100 MeV and 1000 GeV, in
Proc. 30th Int. Cosmic Ray Conf, Merida, paper 276, in press, 2007.
19. Sako, T., K. Watanabe, Y. Muraki, Y. Matsubara, T. Sakai, S. Shibata, F. Kakimoto, Y. Tsunesada, H. Tokuno, S. Ogio, J. F. Valdes-Galicia, L. X. Gonzalez, A. Hurtado, O. Musalem, P. Miranda, N. Martinic, R. Ticona, and A. Velarde, Emission profile of solar neutrons obtained from the ground-based observations for the 7 September 2005 event, in Proc. 30th Int. Cosmic Ray Conf, Merida, paper 912, in press, 2007.
20. Watanabe, K., R. J. Murphy, G. H. Share, G. J. Hurford, S. Krucker, R. P. Lin, M. J. Harris, M. Gros, T. Sako, Y. Muraki, Y. Matsubara, S. Shibata, T. Sakai, J. F. Valdes-Galicia, L. X. Gonzalez, A. Hurtado, O. Musalem, A. Velarde, R. Ticona, N. Martinic, P. Miranda, F. Kakimoto, Y. Tsunesada, H. Tokuno, and S. Ogio, Ion acceleration and neutron emission mechanism for 2005 September 7 flare, in Proc. 30th Int. Cosmic Ray
Conf, Merida, paper 374, in press, 2007.
博士論文
21. 渡邉恭子、Solar neutron events associated with large solar flares in solar cycle 23, Nagoya University, March, 2005.
22. 立岩信明、自然エネルギーの利用による乗鞍太陽中性子検出器の無人運転化、2004年3月
23. 辻原啓之、メキシコ太陽中性子望遠鏡の建設と検出効率のモンテカルロシミュレーション、2004年3月 24. 鎌田領樹、乗鞍64m2太陽中性子望遠鏡無人運転化の実現、2006年3月
25. 丸山泰弘、新型太陽中性子望遠鏡の設計と評価、2007年3月 ９．招待講演リスト（2004 年－2007 年）
26. Matsubara, Y., Solar neutrons, Geophysical Seminar, Universidad Nacional Autonoma, Mexico, August 11, 2004.
27. Matsubara, Y., Cosmic rays from the Sun, School of Cosmic Rays and Astrophysics, La Paz, Bolivia, August 18, 2004.
28. 﨏隆志, 太陽中性子観測、日本物理学会年会（宇宙線宇宙物理シンポジウム「太陽の高エネルギー活動と 粒子加速」）、2005年3月26日。
29. Watanabe, K., Solar neutron events associated with large solar flares in solar cycle 23, 日本物理学会第61回年 次大会企画講演（宇宙線奨励賞記念講演）、2006年3月29日。
31. Sako, T., Solar Energetic Particles – acceleration and observation -, 1st Asia Pacific School on International Heliophysical Year, Kodaikanal Observatory, Indian Institute of Astrophysics, December 20, 2007 （予定） (著書)
