소가 어딘가–이성 입자를 미친 금액의 에너지입니다. 그들이 무엇이든 또는 그들이 어디에서 왔든,이 입자는 1018eV 와 1020eV 사이의 모든 것일 수 있습니다. 주어진 정상 입자에서 에너지 CERN 의 lhc 에 대해 1013eV,이들 중 일부는 입자가 만 배 더 많은 에너지보다 우리가 아무것도 수 있는 패션에서 가장 강력한 입자 가속기입니다. 간단히 말해서,그들은 자연에서 본 가장 활기찬 입자입니다.

초고 에너지 우주 광선(UHECRs)으로 알려진이 입자들은 1962 년에 발견되었습니다. 그들은 최고 에너지의 형제들이 일반적 또는 정원 우주선이었다 처음 발견된 오스트리아 과학자 빅터 헤스 중 유명한 시리즈의 대담한 열기구는 50 년이다. 하지만 우리가 알고있는 좋은 거래에 대한 일반 우주 광선,무엇 UHECRs 에서 만들어진 곳 하늘에서 그들이 와서 무엇을 가속화합 수준을 유지하고 있어 신비입니다.

다행히도 일부 UHECRs 는 때때로 행성 지구에 비가 내립니다. 한 때는 등 레이 들어가는 분위기,충돌과 함께 공기 분자를 차례로 노크로 다른 입자의 결과로,폭포 효력에 모든 방법입니다. 그 결과 지구 표면에서 5km 너비의 영역에 퍼져있는 입자가 샤워됩니다. 그리고 아르헨티나의 Pierre Auger Observatory 와 유타의 Telescope Array 덕분에 우리는이 샤워를 감지하고 우주 광선 자체에 대한 정보를 추출 할 수 있습니다.

모두 시설로는 배열의 표면이 발견자의 경우 오거,1660 큰 배럴 각 12,000 리터의 물에 걸쳐 확산 3000km2. 샤워기의 입자가 감지기로 날아갈 때 감지기의 탱크에 장착 된 광 감지 튜브에 의해 포착되는 전자기 충격파를 생성합니다. 연구원할 수 있는 그런 다음 이 정보를 데이터 27 망원경을 곳곳에 배열 수집하는 형광등을 만들 때 모두 흥분에서 질소 공기에 있습니다.

이 결합 된 기술은 UHECRs 의 플럭스,도착 방향 및 에너지의 정확한 측정을 산출합니다. 지난해,결과적으로의 이동,생 피에르 Auger 연구자들은 명백하게 보여주는 가장 강력한 우주선에서 온 은하수 외부에서,우리 galaxy(과학 357 1266). 고려 우리에 대한 알려져있는 우주선에 대한 세기,이 돌파구를 보일 수 있 실망과 연결. 하지만 실제로는 연구자들이 직면 한 엄청난 도전을 반영합니다. 1020eV 이상의 에너지를 가진 우주 광선은 평균적으로 지구상에서 평방 킬로미터 당 한 번만 발생합니다.

와 우주선 에너지 위 1020eV 땅에 평균 그냥 한번 따 평방킬로미터 지구에 당기

은 무엇 UHECRs 으로 만들어졌을까요?

데이터 수집을 통해 수십 년 동안 증명되는 낮은 에너지는 우주 광선은 주로 양성자,핵 및 전자가 나타납하는 모든 방향에서 오는 하늘에 있습니다. 과학자들은 특성이 확산선되는 반사된 모든 방향으로는 자기장에 침투 우리 은하는 규칙을 모두의 희망에 자신의 근원이 직접 있습니다. UHECRs 는 또 다른 문제입니다. 그들은 은하계 자기장을 통해 너무 잘 동력을 공급하여 단지 몇도 만 편향됩니다. “우리는 그들을 사용할 수 있습니다 천문학자들을 찾아 소스를 직접.”라고 설명합니 Ralph Engel,대변인은 피에르 도래 전망대도 있습니다.

UHECR 공기 샤워 동안,캐스케이드 효과는 샤워가 대기를 통해 scythes 로 점점 더 많은 입자를 포함합니다. 그러나,각각의 상호 작용을 잃는 에너지는 것을 의미의 수는 샤워기 입자 감소하기 시작하면,작은 부분에 도달합니다. 그러나는 방법을 알고기 샤워 스프레드 분위기 속에서,송곳 및 망원경을 배열 연구진은 시뮬레이션 할 수 있습니다 입자 상호 작용을 추론하는 분위기에서 샤워에 있었습니다. 그리고 샤워 피크 값을 측정 된 샤워 에너지와 결합함으로써 UHECRs 의 질량-따라서 정체성-을 추론 할 수 있습니다.

오거 과학자들이이 방법을 적용했을 때,그들은 가장 높은 에너지 UHECRs 가 단순히 양성자로 만들어 질 것으로 예상했다. 대신,그들은 이상한 것을 발견했습니다. UHECRs 의 에너지가 1018eV 에서 1020ev 로 증가함에 따라 질량도 마찬가지였습니다. “우리는 1019eV 주변의 많은 양성자로 시작합니다.”라고 Engel 은 설명합니다. “그런 다음 갑자기 헬륨과 탄소와 질소의 범위에있는 원소에 급격한 변화가 있습니다.”

광선이 더 활력을 얻음에 따라 UHECR 의 질량이 증가하는 것은 실험 주의자와 이론가 모두에게 문제입니다. What’s 까다로운 한 송곳 과학자들은 무거운 UHECRs 얻을 편향에 의해 더 많은 은하수의 자기장,더 많은 도전하는 작업들의 근원이다. 에 대한 이론가 다음과 같 Vasiliki Pavlidou 의 크레타 대학교,다른 한편으로는,이 문제가 좀 더 근본적인:수 있는 도전은 우리의 전체 이해의 고에너지 물리. “는 경우 기본 입자를 가장 높은 에너지는 참으로 점점 더 무겁고,거기에 몇 가지의 불편한 일치는 우리가 받아들이”그녀는 말한다.

전통적인 지혜에 따르면,우주선 위의 특정 에너지 계속 에너지로 그들과 상호 작용 광주 배경을 의미하는 에너지의 UHECRs 에 보이는 지구 해야하는 제한에 대한 1020eV. 그러나,경우에는 관찰된 입자들은 점점 더 무거운 에너지로,그의 천체 물리학 과정을 가속화하고 우주선 첫 번째 장소에서–그것이 무엇이–실행해야 합니다 가까이에서 최고의 에너지입니다. (더 가벼운 입자는 그 높은 에너지에 도달하기에는 단순히 너무 미약 할 것입니다. 이)1020eV UHECR 에너지 제한을 따라 적용되는 두 개의 완전히 없는 프로세스가 어떻게 입자가속에서 자신의 extragalactic 소스와 어떻게 그들이 에너지 손실로 그들은 여행을 통해 행성간 공간입니다. 그것은 첫 번째 이상한 우연의 일치입니다.

두 번째 우연은 우리 은하 내에서 오는 우주 광선과 다른 곳에서 오는 광선과 관련이 있습니다. 그것은 보인다는 우주 은하계의 광선이 정지되는에서 관찰 3×1018eV 정확히 동일한 에너지는 extragalactic 우주 광선은 받기 시작 무거운을 가진 에너지입니다. 참 이상한 일이 주어지는 은하고 extragalactic 우주선에서 오는 매우 다양한 소스(는 경우에도 우리는 여전히지도 모르고,어디로 가는지도 모릅 후 발생).

주어진 이러한 두 개의 일치에 따라 처리하고 있는 속성을지도 막연하게 관련되는,그들은 왜 일어나는 동일한 에너지를 가늠? 한 가지 이유는 이러한 우연의 일치가 단순히 존재하지 않기 때문일 수 있습니다. 는 확실히 될 경우 extragalactic 우주선 없이 얻을 무거운 에너지로 하지만 항상 양자;일치는 것이 그만 사라집니다. 실제로,Pavlidou 와 그녀의 크레타 동료 테 Tomaras 생각하는 UHECRs 될 수 있는 주로 양성자,유일하다가 거기 있어야 할 것이 알려지지 않은 몇 가지 새로운 물리적 현상에 영향을 주는 공기 샤워기 특정 에너지입니다.엉뚱한 소리 일지 모르지만 그 생각을 크게 거부하지 않는 좋은 이유가 있습니다. 물리학 모델이 어떻게 입자는 공기에서 샤워 상호 작용에 대한 이해를 기반으로 표준 입자 물리학이지만,그것은 결코 테스트(도에 LHC)에서 높은 에너지. 더욱이,이러한 시뮬레이션은 관찰 된 모든 공기-샤워 특성을 설명하는 데 훨씬 부족합니다. 그래서 당신은 두 가지 논쟁의 여지가없는 선택이 있습니다. 어느 우주 광선이 양성자이고 새로운 물리학이 그들을 무겁게 보이게하고 있습니다. 또는 UHECRs 는 무거운 입자이며 표준 모델은 심각한 조정이 필요합니다.

하는 경우 UHECRs 는 양성자,는 방법을 알아내는 양성자이 될 수 있으로 가장 무거운 입자는 필요한 어떤 대안을 생각입니다. 하나 흥미로운 가능성하는 양성자의 충돌 초기 생산형 블랙홀에서의 존재에 의해 예측 이론과 함께 큰 추가 차원입니다. “적절한 수의 그러한 치수에 대해 실제로 원하는 질량을 가질 수 있습니다.”라고 Tomaras 는 설명합니다. “Mini 검은 구멍이 있는 붕괴에 즉각적으로 많은 수의 하드론 공유 블랙홀의 에너지를 만들고,양성자의 기본’look’무겁습니다.”

을 보고 하늘에서 아래 물

또 다른 대안이 될 것입하는 호출의 존재 같은 아직 알려지지 않은 단계의 양자 chromodynamics(QCD)이론을 설명하는 방법은 쿼크 바인딩 내부의 양성자,중성자와 다른 하드론. 그러나 Tomaras 는 이것이”이국적인”시나리오라고 인정합니다. “우리는 아직 발견되지 않은 큰 추가 차원이,”그는 말한다,”우리는 이유가 의심되는 생산 횡단면의 미니 블랙홀은 것이 너무 작아서 섬기는 우리의 목적이고,게다가,우리가하지 않고 강력한 정량적 이해의 단계 QCD 아직입니다.”그러나,경우에는 증거의 표면 UHECRs 되는 양성자,Tomaras 하다고 생각한다”거의”불가피하는 같은 이국적인 현상이 발생할 자연에 있습니다.

무엇이 그들을 가속화합니까?

UHECRs 가 무엇인지를 둘러싼 확실성의 부족을 제쳐두고,정말로 중요한 질문은:무엇이 그들을 만드는가? 여기서 그림은 더욱 뒤죽박죽입니다. 최근까지 일부 물리학 자들은 표준 모델을 뛰어 넘는”하향식 모델”으로 알려진 이국적인 아이디어를 탐구하고있었습니다. 아이디어는 높은 에너지,미지와 같은 개체는 최고 무거운 어두운 문제로 대중 1012 시간보다 더 큰 양성자 대량 것 부패을 UHECR 입자입니다. Catch 으로 이러한 모델들은 건 우주선해야에 의해 지배된 광자와 중성미자,반면에서 데이터를 피에르 도래 전망대,망원경을 배열 및 다른 곳에서 제안하는 대부분됩니다. “아무도 고전적인 하향식 셋업의 이국적인 모델을 더 이상 구축하려고하지 않습니다.”라고 엥겔은 설명합니다.

지만 이국적인 dark-matter 시나리오되지 않은 완전히 배제의 근원으로 UHECRs,연구자들은 더 심각하게 고민하면 매우 폭력적인 천체 이벤트를 수신에 대한 책임은 높은 에너지. 펄사,감마선 폭발,제트기에서 활동 은하의 핵 별 모양은 은하고 다른 사람들이 제안되었으로,인기있는 의견으로 흔들리는 사이 그들이다.

이탈리아의 Gran Sasso Science Institute 의 Roberto Aloisio 는 액면가에서 auger 의 결과–가장 높은 에너지에서 더 무거운 UHECR 입자를 제안하는 것-이 중요한 발전이라고 믿습니다. “그것은 쉽게 가속하거 핵 보다 양성하기 때문에 가속도 메커니즘을 항상 느끼는 입자는’전–과 핵보다 무거운 양자는 항상 더 큰 전니다.”라고 설명합니다. 결과적으로 알로이 건의 송곳으로 포인트 펄사의 소스로 UHECRs 을 생성하는 요소와 무거운 드라이브 수 이러한 입자는 필요한 에너지(Prog. 테오르. 특급. Phys. 2017 12A102).

현재 UHECRs 의 출처로 다른 모든 후보보다 앞서있는 후보가 하나 있습니다. “나는 했다 내가 확실히 모든 내 돈으로 별 모양은 은하”라고 말 루이스 Anchordoqui 의 뉴욕 시립 대학,구성원의 500-강 Auger 팀이 있습니다. 항성 은하는 격렬한 속도로 별을 형성하는 우주에서 가장 빛납니다. 로 Anchordoqui 및 동료에게 먼저 가설에서는 1999 년,근처에 항성 은하의 핵을 가속화하고 에너지를 통해 공동 노력,결합하는 수많은 초신성에 폭발 중앙 밀도의 영역 갤럭시를 만들 은하계의 규모”superwind”의 확 생기며,넘쳐흐르는 가스입니다.

이 superwind 확장,그것은 덜 조밀하고,둔화의 흐름을 아래로 아음속 속도에서 효과,정지의 진행 superwind 자체입니다. “이것은 거대한 충격파와 비슷한 후 생산 폭발의 핵 폭탄이지만 이보다 훨씬 더 강력합니다.”라고 말 Anchordoqui.

결정적으로,이 프로세스의 퍼지는 충격을 가속기,또는 DSA,채찍 수 있습니다 가스 입자를 빛의 속도로. 입자는 자기장에 의해 국한되고 충격 전면을 횡단하고 재 교차함으로써 점진적으로 에너지를 얻습니다. 가 및 소 둥근 천체 가속기,이러한 작은 에너지를 향상을 구축까지 입자가 탈출 속도에 도달하고 날아갑니다. Anchordoqui 는 최근 Auger 의 최신 연구 결과(Phys. 목사 97 063010).

DSA 하지 않는 만에서 발생하는 별 모양은 은하고는,자주를 호출하여 설명한 제안된 입자 가속에서 감마선 폭발,활동적인 은하의 핵과 기타 UHECR 원 후보자. 그러나 2018 년 초 코타 무라세(Kohta murase)와 펜 주립 대학(Penn State University)의 협력자들은 다른 가속 메커니즘이 플레이(Phys. 목사 97 023026).

에서 자신의 모델,일반 우주선에서 기존의 특정 갤럭시는 주어진 거대한 에너지를 높여 강력한 제트의 활성 은하의 핵에,메커니즘을 통해 알려져 있으로 불연속 전단 가속도. 그것은 복잡한 과정을 포함하는 사이의 상호 작용,입자,지역의 장애에 자기장과 속도의 차이 또는”전단”–의 다른 부분의 제트기의 흐름 및 주변 cocoon. 그러나 결국 효과는 DSA 와 유사합니다. “우주 광선은 에너지를 얻을 통해 산란 앞뒤로 주위에는 가위,경계”라고 설명 Murase,그 후에 그들이 탈출을 통해 라디오부는 종종 발견의 끝에 제공합니다.

더욱 최근에는 메릴랜드 대학의 Murase 와 Ke Fang(Nature Phys. 14 396)은하의 집합체에서 강력한 블랙홀 제트가 UHECRs 에 전력을 공급할 수 있다는 아이디어를 재검토했다. 시작하기 위해,그들에 비해 자신의 모형을 송곳의 관찰 UHECR 유출 및 조성 데이터를 공개,좋은 일과 실험적 관찰. 하지만 가장 흥미롭게도,그들이 보는 방법을 자세히 설명하는 UHECRs,중성미자와 감마선할 수 있는 모든 생산에 의해 활성 은하의 핵에,그들은 설명할 수 있는 데이터 수집 IceCube 중성미자 관측소에 남극,페르미 감마선 우주 망원경과 송곳니다. “가장 아름다운 가능성은 모든 세 메신저 입자에서 같은 클래스의 원본,”Murase 추가합니다.

그들은 어디에서 왔습니까?

우리가 하늘에서 uhecrs 가 어디에서 왔는지 알았다면,그것들을 생산 한 소스를 선택하는 작업이 훨씬 쉬울 것입니다. 그러나 우주 광선 과학에서”쉬운”것과 같은 것은 없습니다. 겁내지,Auger 및 망원경을 배열 과학자들이 사용하여 카탈로그의 잠재력 후보 객체를 할 수 있는 UHECRs 후 일치하려고 그들과 함께 도착 방향의 우주 광선은 그들을 관찰합니다. 점점 더 많은 데이터로 도착,모두 시설을 식별된 각 지역에서는 큰 비율의 이러한 광선은 보이 발생합니다.

의 경우 오거,이 지역의 번호를 포함하는 별 모양은 은하지만,또한 센타우루스는 가까운 거대한 은하는 호스트를 활성 은하의 핵. 으로 망원경을 배열을,그것의”핫 스팟”는 아래에 핸들의 큰곰 별자리는 심지어 명확하게 표시하는 도착 방향으로는 분기의 검색 UHECR 에서 나오는 신호를 40°서클을 만드는 최대 6%만이 하늘입니다. 그러나지만 별 모양 갤럭시 M82 에있는 핫스팟,에 대해 12 백만 광년 떨어져에서 큰곰의 다양한 다른 유형의 객체에는 하늘을 수도 있습 UHECR 생가 등이 있습니다.

“상관 관계는 항성 은하라고 말하고 싶다면 M82 의 방향이거나 활성 은하 핵이되기를 원한다면 켄타우루스 A 의 방향입니다.”라고 Engel 은 말합니다. “데이터가 항성 은하와 더 나은 상관 관계가 있지만,그것이 원천이 될 것이라는 것을 의미하지는 않습니다.”

단지 우리가 알 수 없 UHECRs 또는 촉진,그래서는 하늘에서 시작된 것은 가려져서 너무입니다. 그러나 우리가 답을 찾기까지 오래 걸리지 않을 수도 있습니다. 업그레이드 피에르 도래 전망대 및 망원경을 배열이 진행되는 동안 연구원은 새로운 시설과 같은 프로브 극단적인 멀티-메신저 천체 물리학(POEMMA)합니다.

이 수수께끼 같은 입자의 질량과 기원의 수수께끼는 10 년 안에 마침내 맨손으로 놓일 수 있습니다.나는 이것이 내가하는 일이 아니라고 생각한다.