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どうして宇宙線の探究？

どのようにして宇宙ってできたんだろう？素粒子ってどういうものなんだろう？こういった天文や素粒子の不思議は中高生にとってこれまで「本の中の世界」でした。いずれも大型の加速器や検出器などが必要でとても測定を通した探究ができなかったのです。ところが、ここ最近の技術の進化で宇宙線の検出器が中高生でも使えるぐらい手軽になることでこれが一変しました。 　

　今では全国の中高生が宇宙や素粒子の研究を検出器を使って行っています。ちょっと専門的な研究にみえますが、宇宙線や放射線を測るだけならそこまで難しくありません。宇宙線や放射線測定を通して、測り方や魅力を感じてみてください。

宇宙線や放射線について

放射線とは

以下、簡単に放射線に関する基礎知識を掲載しています。より詳しくは宇宙線関連資料を参照してみてましょう。

放射線とは

放射線は様々な高エネルギーの素粒子や電磁波のことで、アルファ線、ベータ線、ガンマ線といったものから中性子、ミュオン、陽電子、重イオンなどあらゆるものがあります。それぞれ特徴があり、物質をどの程度通過するか、シンチレーターでどの程度光るか等が異なります。

放射線はどこからくる？

自然放射線

宇宙線

宇宙空間を飛び交っている粒子で、陽子やヘリウム原子核等様々な粒子が地球にやってきています。これは一次宇宙線と呼ばれ、その一次宇宙線が地球に入射した際に、大気の原子核との間の核反応で発生する二次粒子（二次宇宙線）が実際には地表に到達します。二次宇宙線は様々な物がありますが、主にミュオンが測定対象になります。

天然放射性核種からの放射線

大気・地面由来：大地や建物、その他身の回りのあらゆる物質に一定の放射性物質が含まれており、それらの崩壊によって放射線が放出されます。例えば花崗岩には一定数のウランが含まれており、放射線を発します。これらの放射性物質はその崩壊によって主にアルファ線・ベータ線・ガンマ線といった放射線を発します。

人工放射線

  • 人工放射線：レントゲンやCTといった医療放射線などがあります。

宇宙線観測の基本概要

宇宙線観測・解析の流れ

宇宙線は検出器によって測定を行い、これをUSB接続したPCでデータ保存をします。PCに保存されたデータの羅列だけでは分析が難しいので、これをインターネット上の解析フレームワーク上にアップロードして、自分の探求に合わせた解析を行います。

このマニュアルと Google Colaboratory の説明を読んでいき、この流れを１つずつ確認しながら行ってみましょう。

検出器の仕組み

宇宙線は光速に近い速度で降り注ぐ素粒子で、人間には見たり感じたりすることができません。これを代わりに検出するのが宇宙線検出器です。宇宙線のエネルギーを電気信号に変換することで、宇宙線が通過した時間や検出器に与えたエネルギーといった情報を収集することができます。

どんな風に計測データは保存される？

宇宙線測定データは以下のような手順で保存が行われます。

  1. SiPMからの出力をo～1024の整数値の値へと変換します。これは（原則として）デジタル制御は整数の値しか扱えないため必要な作業です。
    1. SiPMからの出力がある一定の値（閾値）よりも大きい時にデータ保存を開始します。
  2. SiPMの値、ADCの値、時間、温度の値をPCへと送り、保存されます。SiPMは直接デジタルデータとして扱えませんが、ADCの値から逆算することで間接的に得ています。

検出器で宇宙線を測定する

測定方法は以下の動画を参考にしてください。

シリアルドライバをインストールする

USBシリアルドライバのインストール

USBケーブルをパソコンと検出器に接続する

付属のUSBケーブル（ほとんどの場合がtypeA to miniBケーブル）をそれぞれ検出器とパソコンに接続してください。検出器のディスプレイに何かしら表示がされたら、上手く接続できています。

USBケーブルをパソコンと検出器に接続する

まずは以下のページから測定用ソフトウェアをダウンロード・実行しましょう。

CosmicWatch測定用ソフトウェア

２つの検出器で同時測定する場合

パソコン内のデータを確認する

ソフトウェアが起動している間、逐次データがパソコン内に保存されています。一度ソフトウェアを起動した後は測定ソフトウェアと同じディレクトリ内にdataというディレクトリ（フォルダ）ができており、この中にファイル名が日付になったデータファイルが格納されているはずです。

ータファイルの名前は、例えば「2020-11-25.dat」のようになっており、同じ日に複数回データをとると、データが新しい回のものに上書きされてしまいます。同じ日に何回かデータを測定し直す（ソフトウェアを一旦閉じて測定し直す）場合は、前に保存したデータの名前を変更して、上書き保存されないようにしましょう。

データファイルの中身はメモ帳等で確認することができます。データが格納されているか確認してみましょう。

データ構造

データファイルにはどのように宇宙線のデータが保存されているのでしょうか。

Cosmic Watchから得られるデータは以下のようになっています。

event    date                        time    ADC    SiPM    deadtime    tempreture
1        2020-04-14-19-06-:45.149397    845        291    50.97    719    63.87
2        2020-04-14-19-06-:45.937397    1633     88     20.96    904    23.80
3        2020-04-14-19-06-:47.624397    3320     691    332.16    1268    135.30
4        2020-04-14-19-06-:47.669397    3365     176    30.09    1272    52.05
以下続く...

それぞれの項目が示す意味は以下の通りです。

  1. event：検出器が反応する度に１ずつ増える項目です。
  2. date：検出器が反応した時刻を表します。
  3. time：検出器が反応した時間をミリ秒で表します。
  4. adc：Arduinoで読み取ったアナログ値です。検出器が受け取った信号の強さを表します。（最小：0、最大:1023）
  5. sipm：ADCから計算されたSiPMからの信号の大きさです。
  6. deadtime：Arduinoがデータ処理に要した合計時間を表します。（ミリ秒）
  7. temp：温度を表します。（℃）
  8. hum：湿度を表します。（%） 対応しているCosmicWatchのみ取得可能
  9. pres：気圧を表します。（kPa） 対応しているCosmicWatchのみ取得可能

宇宙線や放射線について

放射線とは

以下、簡単に放射線に関する基礎知識を掲載しています。より詳しくは宇宙線関連資料を参照してみてましょう。

放射線とは

放射線は様々な高エネルギーの素粒子や電磁波のことで、アルファ線、ベータ線、ガンマ線といったものから中性子、ミュオン、陽電子、重イオンなどあらゆるものがあります。それぞれ特徴があり、物質をどの程度通過するか、シンチレーターでどの程度光るか等が異なります。