天体素粒子物理学特論Ⅱ

本講義では、最新の宇宙素粒子物理学のトピックのうち、宇宙線、重力波、ニュートリノおよび暗黒物質の４つについて、それぞれの研究に携わる教員が授業を行う。
１）宇宙線
　宇宙線の発見は1912年にさかのぼり、現在ではその主成分が陽子等の原子核であることが知られている。また、そのエネルギー範囲は10^{9} eVから10^{20} eV程度までの広範囲にわたって冪型で記述される。10^{15} eV以下の宇宙線は銀河系内起源、10^{18}eV以上のエネルギーを持つ宇宙線は銀河系外起源であるということがコンセンサスとなっている。この講義では、主として銀河系内宇宙線の起源・加速機構・伝播機構について概説し、最近の観測結果について紹介する。
２） 重力波
　重力波は2015年に初観測されて以降，めざましく発展しており，これまで50例の重力波イベントが報告されている．2017年の連星中性子星合体の場合，合体に伴い放射された電磁波もあらゆる波長で観測されたが，これは重力波の観測が天文観測の主要な手段となったことを意味する．本講義では，重力波観測によって解明が期待される物理的，天文学的課題や，重力波の検出方法，そしてデータ解析方法などについて概説する．
３） ニュートリノ
　ニュートリノは太陽中心核での核融合や超新星爆発の際に生成される。また、宇宙線が大気中で反応する際にも生成される。こうしたニュートリノの観測からニュートリノは有限の質量を持ち異なる種類（フレーバー）のニュートリノが混合していることが発見され、ニュートリノ振動を起こすことが分かってきた。本講義では、ニュートリノによって天体内部をどのように探ることができるかについて概説する。
４） 暗黒物質
　宇宙の物質の85%が我々の知らない物質であることは驚くべき事実である。その正体の解明は、現代の素粒子物理学や宇宙物理学における非常に興味深い課題の一つだ。世界中の研究者が、宇宙や天体の様々な観測、素粒子実験、精密な物理量の測定等に解決の糸口を探している。暗黒物質が未発見の新粒子であれば、その発見は宇宙にあふれる多数の謎を解決し、素粒子の世界をより深く理解する道筋を与える。本講義では、暗黒物質発見の経緯、暗黒物質の正体の解明へ向けた様々な観測、そして実験室で暗黒物質を直接探索する実験を説明する。

This lecture covers selected four topics, which are cosmic rays, gravitational wave, neutrino, and dark matter, in the latest developments of astroparticle physics by the experts of each topic.
1) Cosmic rays
Cosmic rays were discovered back in 1912. Now we know that cosmic rays are composed mainly of nuclei of hydrogen, etc. The energy spectrum of cosmic rays is expressed as power-law, ranging from 10^{9} eV to 10^{20} eV. There is a consensus that cosmic rays below 10^{15} eV are of galactic origin and those above 10^{18} eV are of extragalactic origin. In this lecture, the origin, acceleration mechanism, propagation mechanism of galactic cosmic rays will be outlined and then some recent observational results will be introduced.
2) Gravitational wave
Since the first observation in 2015, the observation of gravitational waves has been developed significantly. By September 2019, 50 gravitational wave events have been reported. In the case of binary neutron star merger in 2017, it was observed not only by gravitational waves, but also by many astronomical observatories in all wavelength of electromagnetic waves. This means that gravitational waves become an important tool in astronomy. This lecture explains physics and astrophysics which are expected to be revealed by gravitational wave observations, detection methods and analysis methods of gravitational waves.
3) Neutrino
Neutrinos are produced by nuclear fusion reactions in the core of the Sun and by supernova explosions. In addition, interactions of cosmic rays in the atmosphere produce neutrinos. Observations of those neutrinos established that neutrinos have masses and different flavors of neutrinos mix, and neutrinos oscillate while they travel long distances. This lecture explains how we can investigate inside the stars.
4) Dark matter
It is a striking fact that the nature of the 85% of the matter in the universe is unknown. Identification of dark matter is one of exciting issues in modern particle physics and astrophysics. Researchers are looking for clues in various observations of the universe and astronomical objects, particle physics experiments, and precise measurements in physical quantity. If dark matter is an unknown elementary particle, its discovery would solve many of mysteries of the universe and pave the way for a deeper understanding of the elementary particle physics. This lecture explains the history of dark matter, various observations, measurements, and direct detection of dark matter interactions toward the identification of dark matter.