CERN研究で『宇宙の雨嵐』発生メカニズムを解明

CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が2025年7月、酸素原子と陽子の衝突実験を初めて実施し、宇宙線が地球大気に衝突して生じる粒子シャワーの成因を、従来のコンピュータモデルの予測より10倍以上の精度で測定することに成功した。この成果は、粒子物理学と高エネルギー天体物理学の両分野にまたがる、数十年間の懸案を解く重要な一歩となるものである。

宇宙線は毎秒、人間の体を光速近い速度で通過する。これは宇宙空間から絶えず降り注ぐ高エネルギーの粒子核であり、その大部分は水素だと考えられている。地球の大気上層に到達したこれら宇宙線は既存の原子に衝突し、その衝撃で衝突相手の原子は破片が放出される。この破片がさらに連鎖的に二次、三次の反応を起こして、複雑な粒子のシャワーが短時間のうちに形成されるのである。科学者たちはこうした現象を100年以上前から観測してきたが、粒子シャワーが実際にどのメカニズムで生成されるのかについて、正確で定量的な理解を欠いていた。従来は地上の広大な観測網で検出した粒子データと、コンピュータシミュレーションを照らし合わせることで理解を深めてきたものの、異なるモデルの予測値が大きく異なるという根本的な問題が長年存在していたのである。この不確実性を解消するには、実験室での直接的な検証データが必要だったのだ。

今回の実験では、LHCの高速カメラと検出器を用いて、酸素原子と陽子の衝突時に生じた粒子の数とエネルギーを精密に測定した。ATLAS検出器と呼ばれるシリコンセンサーを備えた巨大な検出装置は、1日に2億枚以上の画像を撮影でき、粒子の振舞いを前例のない精度で捉えることができた。この結果は、宇宙線の成分がどの程度の割合で水素の核を主体としているのか、あるいはより重い原子核をどの程度含んでいるのかを判定するうえで重要な手がかりとなる。その構成情報は、宇宙線がいかなる天体現象から放出されているのか、その起源を推定する際に欠かせない。超新星爆発や超大質量ブラックホールなど、宇宙最高エネルギーの現象を理解するために、この測定結果がどのような役割を果たすのかは今後の研究にかかっている。

粒子物理学と高エネルギー天体物理学は歴史的に密接な関係にありながら、近年は独立した分野として発展してきた。今回の研究は両分野の壁を低くするもので、国際的な科学協力が新たな知見をもたらす好例となっている。日本の製造業にとって、これは先端的な実験装置の部品や検出器の素材、高精度の加工技術といった領域で、国際的なプロジェクトへの供給機会が引き続き存在することを示唆している。宇宙線観測技術の高度化は、光学機器、半導体、分析装置など、多岐にわたる産業分野の技術発展とも結びついており、基礎研究への投資が応用産業にも波及していく構図が見えている。

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