探测望远镜阵列实验史上能量最大的宇宙射线

 2023年11月15日 大阪公立大学京都大学 东京大学理化研究所 大阪电信大学信州大学神奈川大学

探测望远镜阵列实验史上能量最大的宇宙射线<重点> ◇ 2021年5月27日，根据美国犹他州的国际共同宇宙线观测实验“伸缩镜阵列实验”，检测出了极高能量( 244埃克苏电子伏)的宇宙线。 ◇从2008年到现在长达15年以上的伸缩镜阵列实验史上最大的能量。 ◇在到来方向上不存在作为发生源候补的天体，也有可能是超越未知天体现象和暗物质衰变等标准理论的新物理起源。 <概要> 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，所以会在宇宙磁场中弯曲，但能量非常高的宇宙射线很难在磁场中弯曲，有望成为到来方向指向发生源的“新一代天文学”。 大阪公立大学研究生院理学研究科及南部阳一郎物理学研究所副教授藤井俊博( 2022年3月为止隶属于京都大学白眉中心及研究生院理学研究科)、常定芳基教授、东京大学宇宙线研究所荻尾彰一教授、储隆志副教授、佐川宏行高级法罗、 理化学研究所开拓研究总部的樋口谅基础科学特别研究员、木户英治研究员、长泷重博主任研究员(数理创造计划副计划总监)、大阪电信大学工学部的多米田裕一郎副教授、信州大学工学部及航空宇宙系统研究基地的富田孝幸助教、神奈川大学工学部的池田大辅特别助教、 有工慈治副教授等人的国际共同研究小组，在美国犹他州正在运行的最高能量宇宙线观测实验“伸缩镜阵列实验”中，于2021年5月27日进行了具有极高能量(2.44×10的20次方电子伏= 244埃克苏电子伏)的宇宙线观测伸缩镜阵列实验从2008年到现在的15年多来，持续进行着最高能量宇宙射线的稳态观测。 此次检测到的宇宙射线是望远镜阵列实验观测中能量最高的，具有与1991年检测到的被称为“超高粒子”※1的宇宙射线相匹敌的能量。 而且，在宇宙射线到来的方向上找不到作为候补的有力天体，这也暗示着未知的天体现象和超越标准理论的新物理起源的可能性。 本研究成果将于2023年11月24日在线刊登在国际学术杂志《Science》上。 

图1 :根据地表粒子探测器的信号信息描绘了1:2021年5月27日伸缩镜阵列实验中检测出的极高能量宇宙射线的图像图(图像提供:大阪公立大学/京都大学L-INSIGHT/Ryuunosuke Takeshige )

藤井俊博副教授

藤井俊博副教授说

第一次发现这个极高能量的宇宙射线时，因为显示了前所未有的能量值，所以我想应该是什么错误吧。 之后，在为在到来方向上找不到候补天体而感到遗憾的同时，我还记得发现了这个宇宙射线是从哪里来的这个新谜团的兴奋感。 今后，我们将通过正在运行的伸缩镜阵列实验扩展计划和新一代实验，明确极高能量宇宙射线的发生源。

 <研究背景> 宇宙空间中存在着高能辐射，不断地降落在地球上。 这种放射线被称为“宇宙射线”，从1912年发现以来，已经进行了一个多世纪的研究。 在迄今为止的观测中，在地球上检测到了从10的8次方电子伏( = 100兆电子伏)到10的20次方电子伏( = 100埃克电子伏)以上能量的宇宙射线。 这个100艾克电子伏的能量比地面上最大的粒子加速器的到达能量大7位数以上，是宇宙中能量最大的粒子。 作为这种微观粒子同时具有宏观能量的宇宙射线的发生源，预计起源于宇宙中最大的爆炸现象伽马射线暴、活动银河核中心的超巨大黑洞、或者从其喷出的射流、具有宇宙最强磁场的强磁场中子星等宇宙中剧烈的极限物理现象 (图2 )。 

图2 :极高能量宇宙线下一代天文学概念图。 由于极高能量宇宙射线几乎在宇宙磁场内直线前进，所以其到来方向有望指向起源方向。 背景表示宇宙射线起源的候补天体活动银河核和强磁场中子星(图像提供:大阪公立大学/京都大学/Ryuunosuke Takeshige )

能量极高的宇宙射线进入地球大气进行相互作用时，会生成多达100亿粒子的大量二次粒子，成为直径约10公里范围内扩展的粒子群到达地表。 这个二次粒子群被称为“空气淋浴”，几乎同时被在地表以数公里间隔排列的多台地表粒子探测器检测到。 然后，利用多台检测到的信号的大小和微秒左右的时间差，推测到来的宇宙射线的到来方向和能量。 伸缩镜阵列实验是在美国犹他州的沙漠地带以1.2公里的间隔安装507台面积3平方米的地表粒子探测器，从2008年开始持续对到达700平方公里范围的最高能量宇宙射线进行稳态观测(图3 )。

图3 :安装在美国犹他的伸缩镜阵列 实验的地表粒子探测器(图像提供:大阪公立大学)

<研究内容> 伸缩镜阵列实验于2021年5月27日美国犹他当地时间凌晨4点35分56秒，成功探测到了244埃克电子伏( =2.44×10的20次方电子伏)这一具有极高能量的宇宙射线(图4 )。 尽管是距离1.2公里以上的地表粒子探测器，但共有23台探测器具有微秒的时间差，几乎同时连续检测信号。这个结果表明，它原本是由一个极高能量的宇宙射线生成的空气淋浴。根据各检测器检测到的信号的大小以及时间差，计算出了空气淋浴的到来方向和能量。 图5用赤道坐标表示了这个极高能量的宇宙射线到来的方向。 有趣的是，在求出的到来方向上没有找到有力的候选天体，在银河系附近的宇宙大规模结构中，是从被称为局部空洞的方向到来的。 迄今为止，以黑洞直接摄像而闻名的处女座银河队中的椭圆银河( M87 )和星星形成非常活跃的活跃银河( M82 )被认为是候选天体，但这与任何方向都不同，也与望远镜阵列实验中报告的从大熊座传来大量宇宙射线的方向不同。因此，也暗示了超越未知天体现象和暗物质衰变等标准理论的新物理起源的可能性。

图4:2021年5月27日在伸缩镜阵列实验中检测到的极高能量宇宙射线的信号(图像提供:大阪公立大学)

图5 :用赤道坐标表示244埃克塞尔电子伏( EeV )极高能量宇宙射线的到来方向(红圈，244 EeV )。 显示了作为候补天体的活动银河核(◆)和星星形成活跃的银河(★)，预计考虑到银河磁场的候补天体所期待的宇宙射线量会沿着附近天体集中的超银河面到来。 244 EeV的宇宙射线来自与候补天体方向不同的局部空洞方向(图像提供:大阪公立大学)

2013年成为诺贝尔物理学奖对象的希格斯玻色子被称为“戈多粒子”，1991年检测出的320艾克电子伏这一高能宇宙射线被称为“戈多粒子”。 由于这次的宇宙射线的发现者是日本人，在当地时间凌晨被检测出，今后也有望进一步检测出具有如此高能量的第二、第三宇宙射线，所以本研究小组将其命名为“天照粒子”。 

 <预期效果今后的发展> 为了确定宇宙射线的来源，开拓新一代天文学需要探测更多的最高能量宇宙射线。 在伸缩镜阵列实验中，为了将可检测范围增加到4倍的扩展实验( TA×4实验)正在进行中(图6 )。 通过以比以往高4倍的灵敏度检测100埃克电子伏以上的宇宙射线，有望查明最高能量宇宙射线的发生源。 另外，还可以高精度地进行最高能量宇宙射线是质子还是更重的原子核这一粒子种类分析。 如果得到了关于粒子种类的信息，通过与其他观测结果组合，可以得到关于宇宙中存在的磁场的大小、结构的宇宙环境的新知识。 此外，我们的目标是通过电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、伽马射线等多波长观测，以及加上中微子和引力波的多信使天文学等宇宙观测方面的综合知识，对宇宙射线发生源加速机制的理解进行巨大的变革，并通过最高能量宇宙射线共创新一代天文学。

图6:(左)为伸缩镜阵列实验扩展计划制作并等待安装的地表粒子探测器。 (右)由直升机安装在美国犹他州沙漠地区的地表粒子探测器(图像提供:东京大学宇宙线研究所)

<资金信息> 文部科学省科学研究费重点领域研究431日本学术振兴会科学研究费资助事业特别推进研究JP21000002，同JP15H05693，基础研究( s ) JP19104006，同JP15H05741，同JP19H05607，基础研究( a ) JP18H03705，年轻人研究 JPH26707011、加强国际共同研究( b ) JP19KK0074美国国立科学基金会、韩国国立研究基金会、俄罗斯科学院、Belgian Science Policy IUAP (ULB )东京大学宇宙线研究所共同利用研究项目、riken pioneee <术语解释> ※1超高德粒子: 1991年10月15日通过蝇眼实验观测到的320埃克电子伏这一具有极高能量的宇宙射线。 因为具有惊人的能量，所以被称为“Omegod粒子”。 <刊登杂志信息> 【发表杂志】Science 【论文名称】an extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array 【作者】Telescope Array Collaboration 【刊登URL】https://doi.org/10.1126/science.ABO 5095  

【关于研究内容的咨询方式】 大阪公立大学研究生院理学研究科 副教授:藤井俊博 TEL:[phone] E-mail:[e-mail] 东京大学宇宙线研究所高能宇宙 前线研究部门 教授荻尾彰一 TEL : [phone] e-mail:sogio @ icrr.u-Tokyo.AC.jp 理化学研究所开拓研究总部 研究员:木户英治 TEL:[phone] E-mail:[e-mail] 大阪电信大学工学部基础理工学科 副教授:多米田裕一郎 TEL:[phone]㈹ E-mail:[e-mail] 信州大学工学部电子信息系统工学系 /航空航天系统研究基地 助教:富田孝幸 e-mail:to mida @ cs.shinshu-u.AC.jp 神奈川大学工学部应用物理学科 副教授:有工慈治 TEL:[phone] E-mail:[e-mail] 神奈川大学工学部应用物理学科 特别助教:池田大辅 TEL:[phone] E-mail:[e-mail]

【报道相关咨询方式】 大阪公立大学宣传科 负责人:国田 TEL:[phone] E-mail:[e-mail] 京都大学涉外宣传科国际宣传室 tel:[phone]传真: [phone] e-mail:comms @ mail2.ADM.Kyoto-u.AC.jp 东京大学宇宙线研究所宣传室 负责中村 TEL : [phone] e-mail:m3 naka mu @ icrr.u-Tokyo.AC.jp 理化研究所宣传室新闻发言人 TEL:[phone] E-mail:[e-mail] 大阪电信大学法人事务局宣传部宣传科 E-mail:[e-mail] 国立大学法人信州大学总务部总务科宣传室 邮编〒390-8621长野县松本市旭3-1-1 tel:[phone]传真: [phone] E-mail:[e-mail] 神奈川大学宣传科 负责人:椎野 TEL:[phone] e-mail:kohou-info @ kanagawa-u.AC.jp