【原】最高能量宇宙射线是重带电粒子吗

【新闻发布会】最高能量宇宙射线是重带电粒子吗 新闻发布会2024.06.28 东京大学宇宙线研究所 大阪公立大学 大阪电信大学 神奈川大学 信州大学 理化研究所

图1 :宇宙射线观测器 (左) Telescope Array宇宙线观测装置的配置图。 纵轴表示南北方向，横轴表示东西方向。 507台塑料闪烁体地表粒子检测器( )在比东京23区更广的区域以1.2公里的间隔呈棋盘格状设置。 为了环视地表探测器群，在3处建设了大气荧光望远镜( )。 虚线表示各望远镜站的视野。 (★)是中央激光装置( CLF )的位置。 (右上)场上安装的地表探测器。 (右下)在东南BR站点建设的大气荧光望远镜站 发表要点 ◆利用美国犹他州的Telescope Array宇宙线观测装置，迄今为止的14年间观测了100EeV以上的最高能量宇宙线19个现象。 其到来方向分布是各向同性的。 ◆首次推测，在假设构成宇宙物质结构的银河产生最高能量宇宙射线的情况下，带有电荷的重原子核被宇宙磁场弯曲而来到地球。 ◆今后，将在增加最高能量宇宙射线观测事例的同时，提高识别粒子的方法，明确与宇宙极高能量现象的关联。 发布概述 东京大学宇宙线研究所的荻尾彰一教授等Telescope Array(TA )国际共同研究小组(注1 )假设从宇宙的物质结构银河中产生最高能量宇宙线，首次明确了带有电荷的重原子核在宇宙磁场的作用下弯曲到达地球的事实。 在从宇宙射下来的高能粒子(宇宙射线)中，极少有极高能量的宇宙射线存在，被认为与宇宙中最激烈的物理现象有关。 宇宙射线因为是带电粒子，所以在宇宙磁场中会弯曲，但是能量非常高的宇宙射线很难在磁场中弯曲，期待其到来方向能指向发生源。 使用在美国犹他州建设的TA宇宙射线观测装置(注2 ) (图1 )的地表粒子检测器从2008年开始14年间取得的数据，对超过100EeV (注3 )的最高能量宇宙射线进行了19次现象观测，它们的到来方向看起来是各向同性分布的。 这暗示着最高能量宇宙射线是由带电荷的重原子核通过宇宙磁场弯曲到达地球的。 研究内容 宇宙射线是从宇宙到达地球的带电粒子。 这些粒子具有非常高的能量，最大可以达到200~300EeV。 该能量相当于人类建设的最大加速器大型强子对撞机(注4 )产生的粒子的约1000万倍。 高于1EeV的能量粒子称为超高能宇宙线( UHECR )。 人们认为这些粒子起源于银河系外，但其产生源尚不清楚。 主要问题是带电粒子会因宇宙磁场而弯曲，因此无法确定其产生源。 有助于更好理解UHECR起源的重要性质是其质量组成，即构成原子核的种类及其比例。 质量组成之所以重要，是因为它在宇宙介质中的衰减长度不同，传播距离，即到天体的最大距离根据原子核的种类而不同。 决定UHECR性质的主要问题之一是其到来通量(注5 )低。 能源1EeV的情况下，每平方公里每年约20-30个，能源100EeV的情况下，约为其10000分之一左右。 这种低通量的UHECR使得检测和积累足够数量的事件变得困难，特别是在高能量下。 在实验中，UHECR是通过一次粒子与空气原子碰撞时生成的基本粒子的级联观测到的。 这些级联称为大范围大气喷淋( EAS ) (图2 )。 另一方面，这种间接观测会导致识别一次粒子种类的困难。 迄今为止，都是根据利用大气荧光望远镜( FD )观测到的、沿着宇宙射线入射方向的空气喷淋的发展来进行一次粒子的识别，但是FD的运转效率为10%左右，能够用于分析的事例数量很少。

图2 : TA宇宙线观测仪 地表粒子检测器( Surface Detector: SD )在地表检测UHECR入射到大气中时产生的来自空气淋浴的二次粒子。 另外，利用大气荧光望远镜( Fluorescence Detector: FD )检测空气淋浴产生的大气荧光。 本研究介绍了UHECR质量组成估计的新方法。 该方法仅基于EAS最可靠的测量特性——到来方向和能量。 这里假设UHECR来自宇宙物质结构的银河，进行模型化。 然后，通过将天球上到达方向的分布与UHECR通量模型中预期的分布进行比较，来评估来自天体的UHECR的哪些组成适合数据。 我们将这一新方法应用于美国犹他州北半球最大的UHECR观测装置TA实验的地表探测器在14年的观测中积累的数据。 在100EeV以上的能量中，检测到了包括去年TA国际共同研究小组报告的244EeV的最高能量宇宙射线(注6 )在内的19个事件，发现与UHECR通量模型缺乏最明显的相关(图3 )。

图3 :考虑3 : 100EeV以上最高能量宇宙线和宇宙磁场影响的通量分布比较 用银河坐标表示了用TA测量的100EeV以上的UHECR的到来方向分布(白圈)和加入了宇宙磁场引起的不规则磁场影响的UHECR通量模型中预想的分布的比较。 模型分布中红色通量高，深紫色通量低。 这个发现表明宇宙磁场引起的最高能量宇宙射线从发生源的偏转可能非常大。 考虑到宇宙磁场的现有限制，这意味着最高能量的宇宙射线具有相当于重原子核的电荷(参见图4 )。

图4 :宇宙线数据偏转扩展角度θ100min° 纵轴还给出了使用规则银河磁场、忽略银河系外磁场偏转时，几个纯核组成模型的偏转扩展值(质子p为红色，氦He为橙色，氧o为绿色，硅Si为蓝色，铁Fe为紫色)。 最右边的能舱100EeV以上的最高能量宇宙线数据显示，一些较重的组成模型的结果为θ100min° = 200°，与紫色铁组成模型的结果(θ100min° =约50°)相当大(重如铁)。 今后，将在增加最高能量宇宙射线观测事例的同时，提高一次粒子的识别方法，明确与宇宙的极高能量现象(注7 )的关联。 〇相关信息:新闻稿《探测望远镜阵列实验史上能量最大的宇宙射线》( 2023/11/24 )在东京大学本乡校园伊藤国际学术研究中心画廊1召开的记者招待会宇宙射线研究所所长荻尾彰一说明研究成果发表者、研究者等信息 东京大学宇宙线研究所 荻尾彰一教授(所长) 陈隆志副教授 佐川宏行特任研究员 大阪公立大学研究生院理学研究科 常定芳基教授 藤井俊博副教授 大阪电信大学工学部基础理工学科 多米田裕一郎副教授 神奈川大学工学部应用物理学科 有工慈治教授 池田大辅特别助教 信州大学工学部电子信息系统工学系/航空宇宙系统研究基地 冨田孝幸助教 理化学研究所开拓研究总部 木户英治研究员 论文信息 《杂志》 〈题名〉“isotropy of cosmic rays beyond 1020 ev favors their heavy mass composition” 〈作者〉 M.S. Pshirkov*，S. Ogio，H. Sagawa，Y. Tsunesada，e.kido et al.( the telescope array collaboration ) ( * :负责作者 “论文的URL (发现被接受的页面如下所示)” Physical Review Letters，“isotropy of cosmic rays beyond 1020 ev favors their heavy mass composition” Physical Review D，“mass composition of ultra high energy cosmic rays from distribution of their arrival directions with the telescope arry” (本文电子版刊登:预计7月以后) 研究资助 本研究涉及科研经费“特定领域(课题编号: 15077101 )最高能量宇宙射线的起源-德克尔粒子对宇宙物理的开拓-”、“特别推进(课题编号: JP2100002 )最高能量宇宙射线中探索的宇宙极高现象”、 “特别推进(课题编号: JP15H05693 )扩展望远镜阵列实验-用最高能量宇宙线解析的近极限宇宙”、“基盘s (课题编号: JP15H05741 )通过广域精密测量探索的超高能宇宙线源的进化”、 除了“基于基础s (课题编号: JP19H05607 )广域精密测量的超高能宇宙射线的源与传播的统一解释”之外，还在美国科学财团( NSF )、韩国研究财团、俄罗斯科学院、布鲁塞尔自由大学等的支持下实施。 用语解说 (注1 ) Telescope Array(TA )国际联合研究小组: Telescope Array小组是指参与Telescope Array实验的研究人员小组。 作者由隶属于或隶属于以下26个研究机构的142名研究人员组成:东京大学宇宙线研究所、信州大学、大阪公立大学、神奈川大学、山梨大学、高知大学、理化学研究所、中部大学、大阪电信大学、信息通信机构、九州大学、芝浦工业大学、东京都市大学、KEK、东京 广岛市立大学、University of Utah、Hanyang University、INR、UNIST、Sungkyunkwan University、University Libre de Bruxelle、CEICO、Academia Sinica、National Center for Nuclear Research、Loyola University (注2 ) TA(Telescope Array )宇宙线观测器: Telescope Array宇宙线观测器位于美国犹他州北纬39.30度，西经112.91度，海拔约1400米处，是北半球最大的宇宙线探测器。 以1.2公里的间隔安装507台3平方米大小的塑料闪烁体地表探测器，在3个地方建立了大气荧光望远镜站，以探测并预估约700平方公里的面积的宇宙射线(图1 )。 用地表粒子探测器检测宇宙射线从宇宙飞到大气中时产生的广域空气淋浴(图2 )的横向发展，用大气荧光望远镜检测纵向发展，测定宇宙射线的能量、质量组成、到来方向。 2008年5月地表探测器和大气荧光望远镜全部启动。 (注3 ) EeV :埃克萨电子伏特。 1埃克苏电子伏为100京电子伏。 (注4 )大型强子对撞机:欧洲联合研究机构( CERN )的大型强子对撞机( LHC:Large Hadron Collider )是从2009年开始运用的大型质子对撞机。 迄今为止的碰撞能量是世界最高的13.6太拉( 1012 )电子伏，是唯一可以直接研究希格斯玻色子和超对称性粒子等的设施。 (注5 )通量:指宇宙线在单位立体角单位时间内通过一定截面积的频率。 (注6 ) 244EeV最高能量宇宙线:【新闻发布会】探测到望远镜阵列实验史上能量最大的宇宙线。 telescope array collaboration ( 2023 )“an extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array”science，Vol 382，PP .。 (注7 )宇宙的极高能量现象:最高能量宇宙射线的产生源的候补有伽马射线猝发(注8 )、来自活动的银河核(注9 )的射流、具有超强磁场的中子星和异国情调的物理现象等。 (注8 )伽玛射线暴:指宇宙中最剧烈的爆炸。 沉重的恒星最后会发生超新星爆炸，重力崩溃时，或者伴随着中子星或黑洞的合并而发生，在几秒钟内释放出相当于太阳一生所释放的能量。 最初的即时辐射包括大部分发射的光子，接着发射余辉。 即时放射中与伽马射线一起包含x射线，余辉中包含各种波长的光(电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、伽马射线)。 其中可见光用于决定到发生爆炸的天体的距离，已知所有的伽马射线猝发发生在距离银河系很远的银河中。 由于爆炸会突然发生，所以很难预测何时何地发生，只有视野广阔的系统才能观测到。 (注9 )活动星系核(活动星系核) :银河中在其中心发生剧烈活动的天体称为活动星系核。 中心存在质量为太阳几百倍以上的黑洞，其周围发生了各种现象。 黑洞的周围存在着气体和尘埃等物质一边旋转一边被吸入的沉降圆盘，观测到了在与圆盘垂直的上下方向喷出高能量的射流的情况。