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素粒子物理学（粒子天体物理学とも呼ばれる）は、天体物理学的起源の素粒子と、それらの天体物理学および宇宙論との関係を研究する素粒子物理学の一分野です。これは、素粒子物理学、天文学、天体物理学、検出器物理学、相対性理論、固体物理学、宇宙論の交差点で出現した比較的新しい研究分野です。ニュートリノ振動の発見に部分的に動機づけられ、この分野は2000年代初頭から理論的にも実験的にも急速な発展を遂げてきました。[ 1 ]
宇宙素粒子物理学の分野は、光学天文学から発展したものです。検出器技術の発展に伴い、より成熟した天体物理学が発展し、力学、電気力学、熱力学、プラズマ物理学、原子核物理学、相対性理論、素粒子物理学など、複数の物理学分野が含まれるようになりました。素粒子物理学者は、宇宙空間で見られる粒子と同等のエネルギーを持つ粒子を生成することが困難であることから、天体物理学が必要であると考えました。例えば、宇宙線スペクトルには10 20 eVもの高エネルギーを持つ粒子が含まれていますが、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での陽子-陽子衝突では、約10 12 eVのエネルギーが発生します。
この分野は、1910年にドイツの物理学者テオドール・ウルフがエッフェル塔の底部と頂上で空気中の電離度（ガンマ線放射の指標）を測定したことから始まったと言える。彼は、この放射線が地上の発生源のみに起因すると仮定した場合に予想されるよりもはるかに高い電離度が頂上で発生していることを発見した。[ 2 ]
オーストリアの物理学者ヴィクトル・フランツ・ヘスは、電離現象の一部は空からの放射線によって引き起こされているという仮説を立てた。この仮説を裏付けるため、ヘスは高高度でも機能する観測機器を設計し、高度5.3kmまでの電離現象の観測を行った 。1911年から1913年にかけて、ヘスは10回の飛行を行い、電離レベルを綿密に測定した。事前の計算では、 地上の放射線源のみが原因であれば、高度500m以上では電離現象は発生しないと予想していた。しかし、彼の測定結果は、電離レベルは高度とともに最初は減少するものの、ある時点で急激に上昇し始めることを明らかにした。飛行のピーク時には、電離レベルは地表よりもはるかに高いことがわかった。ヘスはこう結論づけた。「非常に高い透過力を持つ放射線が上空から大気圏に侵入している」。さらに、ヘスの飛行の1つは、ほぼ皆既日食の最中であった。電離レベルの低下が観測されなかったため、ヘスは発生源が宇宙のさらに遠くにあるに違いないと考えた。この発見により、ヘスは1936年にノーベル物理学賞を受賞した。1925年、ロバート・ミリカンはヘスの発見を確認し、その後「宇宙線」という用語を作り出した。[ 3 ]
宇宙素粒子物理学の起源に詳しい多くの物理学者は、ヘスによる宇宙線の「発見」をこの分野の出発点とすることを好む。[ 4 ]
宇宙素粒子物理学の分野について標準的な「教科書」的な記述を決めるのは難しいかもしれないが、この分野は活発に研究されているトピックによって特徴づけることができる。学術誌「Astroparticle Physics」は、以下の分野における新しい発展に焦点を当てた論文を受け付けている。[ 5 ]
この分野の将来における主要な課題の一つは、作業定義を超えて徹底的に定義し、天体物理学やその他の関連分野と明確に区別することである。[ 4 ]
宇宙素粒子物理学の分野における現在の未解決問題には、暗黒物質と暗黒エネルギーの特性評価が含まれる。1930年代にウォルター・バーデとフリッツ・ツビッキーによって開始された天の川銀河や他の銀河の星の軌道速度の観測、および銀河団の銀河の観測された速度により、外縁部での運動は、それらの重力ダイナミクスを説明するために必要な可視物質の速度をはるかに超えることが判明した。1990年代初頭から、検出不可能な物質の一部を部分的に説明する候補がいくつか見つかっているが、完全な説明を提供するには到底十分ではない。加速膨張する宇宙の発見は、「暗黒物質」に加えて、「暗黒エネルギー」と呼ばれる追加の成分が、私たちの動的な真空において重要な役割を果たしていることを示唆している。[ 6 ]
宇宙素粒子物理学者にとってのもう一つの疑問は、なぜ今日の宇宙には反物質よりも物質がはるかに多いのかということである。バリオン生成とは、初期宇宙でバリオンと反バリオンの数が不均等になったという仮説上のプロセスを指す用語であり、それが今日の宇宙が反物質ではなく物質でできている理由である。[ 6 ]
この分野の急速な発展は、新しいタイプのインフラストラクチャの設計につながった。宇宙素粒子物理学者は、地下研究所や特別に設計された望遠鏡、アンテナ、衛星実験装置を用いて、ニュートリノ、ガンマ線、宇宙線など、最高エネルギーの幅広い宇宙素粒子を観測するための新しい検出方法を採用している。彼らはまた、暗黒物質や重力波も探査している。実験素粒子物理学者は、自然界に存在するエネルギーのごく一部しか生成できない地上の加速器の技術によって制約を受けている。
以下は、宇宙素粒子物理学における研究室および実験の不完全なリストです。
これらの施設は、非常に繊細な実験を宇宙線から保護するために、地下深くに設置されている。宇宙線は、そうでなければ非常に稀な現象の観測を妨げる可能性があるからだ。
ニュートリノと原子物質との極めて稀な相互作用を記録するには、非常に大型のニュートリノ検出器が必要となる。
これらの実験は、暗黒物質と検出器の標的物質との相互作用を直接検出することに特化している。
高エネルギー宇宙線検出に関心を持つのは以下の人々です。