再び理論限界を突破！科学者が史上2番目に高いエネルギーの宇宙線を検出

2023年11月24日、サイエンス誌に掲載された研究で、研究者らは想像を絶するほど高いエネルギーを持つ宇宙線現象を検出したと発表した。研究者たちはこの宇宙線を「アマテラス粒子」と名付けた（アマテラスは日本神話の太陽の女神である）。しかし不思議なことに、これほど高いエネルギーを持つ粒子を生成できる既知の発生源は存在しない。

理論上の限界を超えて

宇宙線は、地球の大気圏外からやってくる陽子（水素原子の核）などの亜原子粒子で、光速に近い速度で宇宙空間を伝播します。

宇宙線のエネルギーについて議論するときに使用する最も基本的な単位は電子ボルト (eV) です。 1 電子ボルトは、電子が 1 ボルトの電位差を通過するときに得られるエネルギーを指します。宇宙線には幅広いエネルギーがありますが、最も一般的なのは太陽から放射されるもののような最もエネルギーの低いものです。宇宙線のエネルギーが1×10^18eVを超えると、超高エネルギー宇宙線と呼ばれるようになります。このエネルギーは、人工粒子加速器で達成できる最高エネルギーの 100 万倍です。超高エネルギー宇宙線の起源は、ガンマ線バーストやブラックホールの周りの相対論的ジェットなど、宇宙で最も極端な現象のいくつかに関連していると一般的に考えられています。

では、宇宙線の最高エネルギーはどれくらいでしょうか? 1960 年代に、3 人の科学者が宇宙線のエネルギーの理論的限界を提唱しました。地球から 3 億光年離れた場所から放射される宇宙線のエネルギーは 5 × 10^19eV を超えてはならないというものでした。この値はGZK 限界(Greisen-Zatsepin-Kuzmin 限界) と呼ばれます。この限界を超えると、宇宙線は宇宙空間を移動する際に宇宙マイクロ波背景と相互作用し、移動中に継続的にエネルギーを失います。

宇宙マイクロ波背景放射: ビッグバンから約 38 万年後、宇宙は電子と原子核が安定した原子を形成できるほど冷えました。これは、宇宙の光子が電子から散乱しなくなり、自由に伝播できることを意味します。これらの光子は今も宇宙に浸透していますが、宇宙が膨張するにつれてその波長はマイクロ波帯まで伸びています。 (写真/ESA/プランク共同研究)

しかし、1991年に天文学者は3.2 × 10^20eVという高いエネルギーを持つ宇宙線を検出しました。これは明らかに理論上の限界を超えており、理論的には他の遠方の銀河から来るはずがないが、天の川銀河のどの天体もそのような高エネルギー粒子を生成することはできないことを意味しています。この驚くべき高エネルギー粒子はその後「オーマイゴッド粒子」と名付けられました。

人工加速器でそのような高エネルギーを発生させたい場合、その加速器は水星の軌道に匹敵する大きさにする必要があります。今回新たに検出されたアマテラス粒子のエネルギーもGZK限界である約2.4 x 10^20eVを超えています。これはオーマイゴッド粒子以来30年以上ぶりに検出された最高エネルギーの宇宙線です。それで、研究者たちはどうやってアマテラスの粒子を捕らえたのでしょうか?

ユニークな望遠鏡アレイ

宇宙からの宇宙線粒子が地球に到達すると、地球の上層大気に衝突し、大気中の酸素と窒素の原子核と衝突して二次粒子の連鎖反応を引き起こします。これらのいわゆる「大気シャワー」には数十億個の二次粒子が含まれています。これらが地球上に散らばると、覆われる表面積は広大になります。 1020eV 宇宙線によって引き起こされる大気シャワーは、地表で最大 16 平方キロメートルの広い領域を覆うことができます。
宇宙からの高エネルギー粒子の流れが地球の大気圏を通過します。

写真：大阪首都大学/L-INSIGHT、京都大学/竹重龍之介

したがって、より広いカバー範囲を持つ検出器が必要になります。ユタ州西部の砂漠、デルタ郊外に位置するテレスコープアレイは、そうした実験の 1 つです。これは、正方形のグリッドに配置された 507 個の地上検出器で構成され、地表の 700 平方キロメートルの領域をカバーします。

望遠鏡アレイは高度約1,200メートルに位置しており、これは二次粒子の検出を最大限にするのに最適な高度です。その場所には 2 つの利点があります。乾燥した空気は、湿度によって検出に必要な紫外線が吸収されるため、非常に重要です。また、この地域は空が非常に暗いため、光害が宇宙線の検出を妨げるため、これも重要です。

2021年5月27日、望遠鏡アレイがアマテラス粒子を検出しました。この空気シャワーは、48平方キロメートルの領域をカバーする望遠鏡アレイの北西部にある23の検出器を作動させた。検出された大気シャワー内の粒子を研究することで、科学者は元の宇宙線のエネルギー、質量、到達方向を再構築することができます。

エネルギーの低い宇宙線は磁場の影響を受けてジグザグに進みます。しかし、超高エネルギー宇宙線は運動エネルギーが高いため、磁場の影響を受けにくくなります。 （写真／大阪首都大学・京都大学／竹重龍之介）
宇宙線は荷電粒子であることはわかっているので、地球に向かう途中で、天の川銀河内や天の川銀河外の磁場によって偏向されます。その軌道は、磁場の中をジグザグに進むピンボールマシンのボールに少し似ています。エネルギーの低い宇宙線は磁場の影響をより強く受けるため、その軌道はほとんど追跡不可能です。しかし、「オーマイゴッド」や「アマテラス」は磁場の影響をほとんど受けないので、宇宙空間を比較的スムーズに移動することになります。したがって、宇宙線の方向を追うことで、天文学者はその起源を簡単に遡ることができるはずです。

しかし、研究者たちがアマテラスの軌跡をたどってその起源を分析しようとしたが、何も見つからなかった。なぜなら、アマテラスの源は、銀河がほとんど存在しない巨大な虚空のような領域であると思われると計算されたからです。言い換えれば、そのような高エネルギーを生み出すほど強力な天体現象は発見されなかったのです。このため、これらの粒子は特に神秘的なものになります。

未知の物理学？

何が起こっているのか？考えられる説明の一つは、磁場が宇宙線の進路にどのような影響を与えるかを予測するために研究者が使用するモデルが誤っており、何らかの調整が必要になる可能性があるということだ。もっと面白そうなもう一つの可能​​性は、超高エネルギー宇宙線が実際には未知の物理プロセスによって生成され、これまで考えられていたよりもはるかに遠くまで伝播するというものだ。

次に、研究者たちは望遠鏡アレイをアップグレードして、感度を以前の4倍に高めています。完成すると、500台の新しいシンチレータ検出器が2,900平方キロメートルの領域にわたって宇宙線を捕捉することになる。カバー範囲が広くなるということは、研究者がより多くの希少な超高エネルギー宇宙線を捉え、その起源をより正確に追跡する機会が得られることを意味します。

参考リンク:

表面検出器アレイによって観測された極めてエネルギーの高い宇宙線
https://doi.org/10.1126%2Fscience.abo5095

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム: プリンシパル

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司