[論文レビュー] The Search for the Sources of the Cosmic Rays One Century after their Discovery

F. Halzen|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、宇宙線が発見されてから1世紀が経った現在、超新星残骸、ブラックホール系、ガンマ爆発など、天体環境における高エネルギー粒子加速器を焦点として、宇宙線の起源をめぐる継続的な探求をレビューしている。アイスキューブ、アジェア、レーダー基盤のシステムといった高度な検出器と強力な理論的モデルにもかかわらず、特に「アングル」エネルギーを超える宇宙線の起源は未解決のままであり、GZKニュートリノとレーダー検出技術が、今後の有望な道筋を示している。

ABSTRACT

Despite their discovery potential touching a wide range of science, construction of TeV gamma-ray telescopes, Auger, IceCube and a suite of other particle astrophysics experiments has been largely motivated by the hunt for the sources of cosmic rays. I will assess the status of our search for the still-enigmatic sources of cosmic rays. Although a resolution is decidedly anticipated, the mystery of their origin remains unresolved.

研究の動機と目的

• 10^8 TeVを超えるエネルギーを持つ粒子を生成する宇宙線源の現在の状況を評価すること。
• 特に超新星残骸仮説が、『ニーク』エネルギーに達するまでの銀河系宇宙線を説明する上で抱える限界を評価すること。
• ブラックホール、中性子星、ガンマ爆発といった代替の天体的源が、高エネルギー加速器としての可能性を有するかどうかを検討すること。
• 次世代の検出技術、特にレーダーおよび電波検出を用いて、超高エネルギー宇宙線観測所の稼働率とカバー範囲を向上させること。
• GZKニュートリノが、『アングル』エネルギーを超える宇宙線源をバックトラッキング可能なプローブとしてどの程度有効に機能するかを検討すること。

提案手法

• 太陽フレアおよび超新星残骸における粒子加速の可能性を評価するため、Hillas基準（E ≤ Ze·c·B·R）を用い、TeVエネルギーに達するには極めて強い磁場と大きな源サイズを要することを示した。
• 宇宙線エネルギースペクトルを分析し、『ニーク』（約3 PeV）および『アングル』（約10^19 eV）を特徴として特定し、銀河系内から銀河外への移行を示す重要な特徴であることを明らかにした。
• アジェアおよびハイレース実験のデータをレビューし、エネルギー校正における約25％の系統的不確実性を考慮した上で、GZKカットオフ領域で良好な一致が得られ、銀河外宇宙線の存在を支持する結果を得た。
• VHF波を用いたレーダー基盤の検出を提案し、大気中の電離コラムをマッピングする。フォワード・トンプソン散乱を活用することで、高稼働率のモニタリングが可能となる。
• 電子と中性子の衝突に起因する電波放出を、大気中で広範囲の空気シャワーから発生させるメカニズムを検討し、蛍光検出と比較して大気中での減衰問題が最小限に抑えられる高稼働率の代替手法を提示した。
• 10 PeVを超えるエネルギー帯で、電磁シャワーからのコherentチェレンコフ放射の電波検出を評価した。氷は長波長信号に対して低減衰性を示すため、長距離伝搬に適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの天体的環境が、観測された宇宙線のエネルギーを10^8 TeVを超えるまで加速できるのであろうか？
• RQ2 理論的・実験的進展が著しいにもかかわらず、なぜ『アングル』エネルギー（約10^19 eV）を超える宇宙線の起源は未解決のままであるのであろうか？
• RQ3 蛍光検出器と比較して、レーダーおよびマイクロ波検出技術が、超高エネルギー宇宙線観測所の稼働率とカバー範囲をどの程度向上させ得るであろうか？
• RQ4 GZKニュートリノが、最高エネルギー宇宙線源を特定するバックトラッキング可能な信号として、どの程度有効に機能するのであろうか？
• RQ5 GZKニュートリノおよび超高エネルギー宇宙線を検出するためのkm³スケールの電波およびニュートリノ検出器を構築するにあたり、技術的および物理的課題は何か？

主な発見

• 宇宙線スペクトルは、『ニーク』（約3 PeV）および『アングル』（約10^19 eV）によって分断された3つのパワーロー領域を示しており、銀河系内から銀河外への移行を示している。
• エネルギー校正における約25％の系統的不確実性を考慮した上で、アジェアおよびハイレース実験はGZKエネルギー領域で良好な一致を示した。
• テレスコープアレイ実験は、GZKカットオフ構造を確認し、銀河外宇宙線成分の存在を強化する結果を得た。
• 連続波、双方向VHFシステムを用いたレーダー検出は、10^19 eVの宇宙線に対して平均エコー持続時間が約50マイクロ秒の電離コラムを大気中でマッピング可能である。
• 電子と中性子の衝突に起因する空気シャワーからのマイクロ波放射は、大気中での減衰問題が最小限に抑えられるため、蛍光検出の高稼働率代替手段として有望である。
• 予測されるGZKニュートリノフラックスは、1km³あたり1年間で約1イベントであり、測定統計を得るには約100km³の検出器が必要である。ARIANNAおよびアサカリアン・ラジオ・アレイは、このようなスケールを実現することを目標としている。