遠く、遠く、何か-どこか-狂った量のエネル それらが何であれ、どこから来ていても、これらの粒子は1018eVから1020eVの間のものにすることができます。 CERNの大型ハドロン衝突型加速器の最高粒子エネルギーが約1013eVであることを考えると、これらの粒子のいくつかは、地球上で最も強力な粒子加速器で 簡単に言えば、それらは自然界で今まで見られた中で最もエネルギーの高い粒子です。超高エネルギー宇宙線（UHECRs）として知られ、これらの粒子は1962年に発見されました。 彼らは50年前に大胆な熱気球飛行の有名なシリーズの間にオーストリアの科学者ヴィクター-ヘスによって最初に発見された共通または庭の宇宙線の超 しかし、私たちは通常の宇宙線について多くのことを知っていますが、Uhecrは何から作られているのか、天のどこから来て、それらを加速するのは謎のまま

幸いにも、いくつかのUhecrは時折惑星地球に雨が降ります。 そのような光線が大気に入ると、それは空気分子と衝突し、それが順番に他の粒子にノックし、地面までのカスケード効果をもたらす。 その結果、地球の表面で5km幅の領域に広がる粒子のシャワーがあります。 アルゼンチンのピエールオーガー天文台とユタ州の望遠鏡アレイのおかげで、これらのシャワーを検出し、宇宙線自体に関する情報を抽出することができます。P>

両方の施設は、表面検出器の配列で構成されています–オーガーの場合、1660リットル以上の水がそれぞれ12,000リットル以上の水が3000km2に広がっています。 シャワーからの粒子が探知器に飛ぶとき、探知器のタンクに取付けられるライト検出の管によって選ばれる電磁石の衝撃波を作成します。 研究者は、カスケードが空気中の窒素を励起するときに作成された蛍光光を収集するアレイ全体に点在する27の望遠鏡からのデータとこの情報を組

この結合された技術はUHECRsの変化、到着の方向およびエネルギーの正確な測定をもたらす。 そして昨年、この研究の結果、Pierre Augerの研究者は、最も強力な宇宙線が私たちの銀河の中からではなく、天の川の外から来ることを明確に示しました（Science357 1266）。 私たちが1世紀以上にわたって宇宙線について知っていたことを考えると、この突破口は圧倒され、少し遅れているように見えるかもしれません。 しかし、実際には、研究者が直面する巨大な挑戦を反映しています。 1020eVを超えるエネルギーを持つ宇宙線は、平均して地球上の平方キロメートルあたり一世紀に一度しか着陸しません。

1020eV以上のエネルギーを持つ宇宙線は、地球上の平方キロメートルあたり一世紀に一度だけです

Uhecrは何で作られていますか？数十年にわたって収集されたデータは、低エネルギーの宇宙線（主に陽子、核、電子）が空のあらゆる方向から来ているように見えることを証明しています。

科学者たちは、この広がりは、私たちの銀河に浸透する磁場によってあらゆる方向に偏向されている光線に起因すると考えており、それは彼らの源を直接ゼロにするというすべての希望を排除しています。 UHECRsは別の問題です。 彼らは銀河の磁場を通って非常によく電力を供給し、わずか数度しか偏向されません。 「それらを天文学の使者として使用して、情報源を直接見つけることができます」と、Pierre Auger Observatoryの広報担当者であるRalph Engel氏は説明します。

uhecrの空気シャワーの間に、滝の効果は大気を通ってシャワーのscythesとしてますます粒子を含みます。 しかし、各相互作用はエネルギーを失い、シャワー粒子の数は減少し始め、わずかな割合しか地面に到達しないことを意味する。 しかし、空気シャワーが大気中でどのように広がるかを知ることによって、オーガーと望遠鏡アレイの研究者は、大気中のシャワーがピークにあった場所を推測するために粒子の相互作用をシミュレートすることができます。 また、シャワーピーク値と測定されたシャワーエネルギーを組み合わせることにより、UHECRsの質量、したがって同一性を推測することができます。

オージェの科学者がこの方法を適用したとき、彼らは最高エネルギーのUhecrが単に陽子で作られることを期待していました。 代わりに、彼らは奇妙な何かを見つけました。 Uhecrのエネルギーが1018eVから1020eVに増加するにつれて、質量も増加しました。 「私たちは1019eVの周りに多くの陽子から始めます」とEngel氏は説明します。 “その後、突然、ヘリウムに劇的な変化があり、その後、炭素と窒素の範囲内の元素があります。”

光線がよりエネルギッシュになるにつれてUHECRの質量が増加することは、実験家と理論家の両方にとって問題です。 オーガーの科学者にとって難しいのは、より重いUhecrが天の川の磁場によってより偏向されることです。 一方、クレタ大学のVasiliki Pavlidouのような理論家にとって、この問題はより基本的なものであり、高エネルギー物理学の理解全体に挑戦する可能性があります。 「最高エネルギーの一次粒子が実際に重くなっている場合、私たちが受け入れなければならないいくつかの不快な偶然があります」と彼女は言います。

従来の知恵によると、特定のエネルギーを超える宇宙線は、宇宙マイクロ波背景の光子と相互作用するにつれて急速にエネルギーを失うため、地球上で見られるUhecrのエネルギーは約1020eVに制限されるべきである。 しかし、観測された粒子がエネルギーで重くなっている場合、最初に宇宙線を加速している天体物理学的プロセスは、それが何であれ、その最上部のエネル （軽い粒子は、それらの高エネルギーに到達するにはあまりにもちっぽけになります。 したがって、1020eV UHECRのエネルギー限界は、粒子が銀河系外の源でどのように加速されるか、そして星間空間を通過するときにどのようにエネルギーを失うかという完全に無関係な2つのプロセスによって支配されている。 それが最初の奇妙な偶然です。

第二の偶然は、私たちの銀河の中からの宇宙線と他の場所から来るものと関係があります。 銀河系外の宇宙線がエネルギーとともに重くなり始めるのとまったく同じエネルギーである3×1018eVで銀河宇宙線が観測されなくなったようです。 銀河と銀河外の宇宙線が非常に異なる源から来ていることを考えると、それは奇妙です（たとえ後者がどこから来たのかまだ分かっていなくても）。

これら二つの偶然は、漠然と関連していないプロセスと特性に依存することを考えると、なぜそれらは同じエネルギースケールで起こっているのですか？

一つの理由は、これらの偶然が単に存在しないということかもしれません。 銀河外の宇宙線がエネルギーで重くなるのではなく、常に陽子である場合、それは確かにそうです。 実際、Pavlidouと彼女のクレタ島の同僚Theodore Tomarasは、Uhecrは主に陽子である可能性があると考えていますが、そこにいる唯一の暗礁は、特定のエネルギー以上の空気シャワーに影響を与える新しい未発見の物理的現象でなければなりません。それは風変わりに聞こえるかもしれませんが、アイデアを完全に拒否しない正当な理由があります。

それは奇妙に聞こえるかもしれませんが、 物理学者は、素粒子物理学の標準モデルの理解に基づいて、空気シャワー内の粒子がどのように相互作用するかをモデル化しますが、そのような高エネル さらに、これらのシミュレーションは、観測されたすべての空気シャワー特性を説明するのには だから、二つの不快な選択肢があります。 どちらかの宇宙線は陽子であり、新しい物理学は、それらが重いように見えるようにしています。 またはUHECRsは重い粒子であり、標準モデルは深刻な微調整を必要とします。しかし、Uhecrが陽子である場合、陽子がより重い粒子になりすましている可能性がある方法を理解するには、いくつかの代替思考が必要です。

しかし、Uhecrが 一つの刺激的な可能性は、陽子の最初の衝突がミニブラックホールを生成することであり、その存在は大きな余分な次元の理論によって予測される。 「そのような寸法の適切な数のために、彼らは実際に所望の質量を持つことができます」とTomarasは説明します。 「ミニブラックホールは、ブラックホールのエネルギーを共有する多数のハドロンに瞬時に崩壊し、陽子の一次的な「見た目」が重くなります。”

水の下から空を見て

クォークが陽子、中性子および他のハドロンの中でどのように結合しているかを記述する理論である量子色力学（QCD）の未発見の相の存在を呼び出すこともある。 トマラスは、しかし、これらは”エキゾチックな”シナリオであることを認めています。 “我々はまだ大きな余分な次元を発見していない、”と彼は言う、”我々はミニブラックホールの生産断面積が最も可能性が高い私たちの目的を果たすために小さすぎるだろうと疑う理由があり、さらに、我々はまだQCDの位相の堅牢な定量的理解を持っていません。”しかし、UHECRsの証明表面が陽子である場合、Tomarasは、そのようなエキゾチックな現象が自然界で起こることは”ほとんど避けられない”と考えています。

それらを加速するものは何ですか？Uhecrが何であるかを取り巻く確実性の欠如を脇に置いて、本当に重要な質問は：何がそれらを作るのですか？ ここでは、写真はさらに混乱しています。 最近まで、一部の物理学者は、標準モデルを超えた”トップダウンモデル”として知られるエキゾチックなアイデアを模索していました。 その考えは、陽子の質量の1012倍の質量を持つ超重暗黒物質のような高エネルギーで未知の物体がUHECR粒子に崩壊するということです。 これらのモデルのキャッチは、宇宙線が光子とニュートリノによって支配されるべきであることを示唆しているのに対し、Pierre Auger天文台、望遠鏡アレイなどのデータは、主に荷電粒子を示唆していることである。 “誰ももう古典的なトップダウンセットアップのエキゾチックなモデルを構築しようとしない、”Engelは説明しています。

エキゾチックなダークマターのシナリオは、Uhecrの源として完全に除外されていませんが、研究者は、非常に暴力的な天体物理現象が代わりにそのような高 パルサー、ガンマ線バースト、活動銀河核からのジェット、スターバースト銀河などが提案されており、それらの間には一般的な意見が揺れている。

イタリアのGran Sasso科学研究所のRoberto Aloisioは、額面上では、最高エネルギーの重いUHECR粒子を示唆するAugerの結果が重要な発展であると考えています。 「加速機構は常に粒子の電荷を感じ、陽子よりも重い核は常に大きな電荷を持つため、陽子よりも重い核を加速する方が簡単です」と彼は説明します。 その結果、Aloisioは、より重い元素を生成し、これらの粒子を必要なエネルギー（Prog）に駆動する可能性のあるUhecrの源として、オージェがパルサーに向かっていることを示唆しています。 テオル 経験値 フィス 2017年12月10日にavex traxから発売された。しかし、現在、UHECRsのソースとして他のすべての候補よりも先行している候補があります。

“私が賭けなければならなかった場合、私は間違いなくスターバースト銀河にすべての私のお金を置くだろう、”500強いオーガーチームのメンバーであるニューヨーク市立大学のLuis Anchordoqui氏は述べています。 スターバースト銀河は、猛烈な速度で星を形成し、宇宙で最も発光しています。 Anchordoquiらが1999年に最初に仮説を立てたように、近くのスターバースト銀河は、銀河の中心の密集した領域で多数の超新星爆発を組み合わせて、銀河規模の「スーパーウィンド」の流出ガスを作り出す集団的な努力によって、核を超高エネルギーに加速させます。

このスーパーウィンドが拡大するにつれて、密度が低くなり、亜音速まで流れが遅くなり、事実上スーパーウィンド自体の進行が停止します。 「これは、核爆弾の爆発後に生成されたものと同様の巨大な衝撃波を生成しますが、はるかに強力です」とAnchordoqui氏は言います。重要なことに、拡散衝撃加速器、またはDSAのこのプロセスは、光の速度に近いガス粒子を鞭打つことができます。

重要なことに、拡散衝撃加速器、またはDSA 粒子は磁場によって閉じ込められ、ショックフロントを交差させて再交差させることによって徐々にエネルギーを得る。 粒子が脱出速度に達し、宇宙に出て飛ぶまで、これらの小さなエネルギーブーストは、天体物理学の加速器をラウンドし、ラウンドを行く。 Anchordoquiは最近、Augerの最新の調査結果（Phys. Rev.D97 063010)。

dsaは、スターバースト銀河だけでなく、ガンマ線バースト、活動銀河核、および他のUHECR源候補における提案された粒子加速を説明するために呼び出されることが多い。 しかし、2018年初頭には、Penn State UniversityのKohta Muraseと彼の共同研究者は、異なる加速メカニズムが機能する可能性があることを示しました（Phys. Rev.D97 023026)。

彼らのモデルでは、特定の銀河に存在する通常の宇宙線は、離散せん断加速として知られているメカニズムを介して、活動銀河核の強力なジェット これは、粒子間の相互作用、磁場中の局所的な擾乱、およびジェットの流れおよび周囲の繭の異なる部分の速度差（または「せん断」）を含む複雑なプロセ しかし、最終的には効果はDSAに似ています。 「宇宙線は、せん断境界の周りを前後に散乱することによってエネルギーを獲得します」と村瀬は説明します。その後、ジェットの端によく見られる電波ローブを通って脱出します。

さらに最近では、メリーランド大学の村瀬とKe Fang（Nature Phys. 14 396）は、銀河の集合体にある強力なブラックホールジェットがUhecrに電力を供給する可能性があるという考えを再訪した。 まず、彼らは彼らのモデルをオージェの観測されたUHECRフラックスと組成データと比較し、実験観測と良い一致を明らかにした。 しかし、最も興味深いことに、彼らは、Uhecr、ニュートリノ、ガンマ線が活動銀河核によってどのように生成されるかを詳述することによって、南極のIceCube Neutrino Observatory、Fermi Gamma-ray Space Telescope、Augerが同時に収集したデータを説明できることを示しました。 「最も美しい可能性は、3つのメッセンジャー粒子がすべて同じクラスのソースから発生していることです」と村瀬は付け加えます。

彼らはどこから来たのですか？空のどこからUhecrが来るのかを知っていれば、どのソースがそれらを生成したのかを選択する作業はずっと簡単です。

空のUhecrがどこから来たのかを知 しかし、宇宙線科学には”簡単”なものはありません。 AugerとTelescope Arrayの科学者は、Uhecrを加速する可能性のある候補天体のカタログを使用して、それらを観測する宇宙線の到着方向と一致させようとします。 より多くのデータが到着するにつれて、両方の施設はそれぞれ、これらの光線の大きな割合が発生しているように見える領域を特定しました。

オージェの場合、この領域にはいくつかのスターバースト銀河が含まれていますが、ケンタウルスA–活動銀河核をホストする天の川に最も近い巨大銀河。 望遠鏡アレイについては、Ursa Major星座のハンドルのすぐ下にあるその「ホットスポット」は、到着方向をさらに明確に示しており、検出されたUHECR信号の4分の1は、空のわずか6%を構成する40°の円から来ています。 しかし、スターバースト銀河M82は、大宇陀の約12万光年離れたホットスポットに存在していますが、その空のパッチの中にある他の様々なタイプの物体もUHECRの発祥の地である可能性があります。

“相関は、スターバースト銀河であると言いたい場合はM82の方向にあり、活動銀河核にしたい場合はケンタウルスAの方向です”とEngel氏は言います。 「データはスターバースト銀河とよりよく相関していますが、それらが情報源になるという意味ではありません。”

Uhecrが何であるか、何が加速するのかわからないのと同じように、空のどこで発生するのかは視界からも包まれています。 しかし、それは私たちが答えを見つける前に長くはないかもしれません。 ピエール-オージェ天文台と望遠鏡アレイへのアップグレードが進行中であり、研究者はエクストリームマルチメッセンジャー天体物理学（POEMMA）衛星のプローブなどの新しい施設を探索している。

これらの謎めいた粒子の質量と起源の謎は、十年以内に最終的に裸になる可能性があります。

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