[論文レビュー] What is the nature and origin of the highest-energy particles in the universe?

F. Sarazin, Luis A. Anchordoqui+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 105被引用数 12

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、超高エネルギー宇宙線（UHECR）天文学における次世代の目標を概説し、ハイブリッド検出器とマルチメッセンジャーテクニックを用いて、UHECR源の改善された検出、エネルギースペクトルの精緻化、組成測定を提唱している。UHECRは純粋な陽子ではなく、極端なエネルギー領域で重い核へと進化すると提唱され、GZKカットオフのパラダイムに挑戦し、加速および伝播の新しいモデルを要請する。

ABSTRACT

This white paper was submitted to the US Astronomy and Astrophysics Decadal Survey (Astro2020) and defines the science questions to be answered in the next decade in the field of Ultra-High Energy Cosmic-Rays. Following a review of the recent experimental and theoretical advances in the field, the paper outlines strategies and requirements desirable for the design of future experiments.

研究の動機と目的

• 宇宙における最高エネルギー宇宙線の本質と起源という根本的問いに答える。
• 古くなったGZKカットオフモデルの限界を克服するため、新データを用いてUHECRの組成とエネルギースペクトルを再評価する。
• 宇宙線の到着方向における方向性の非一様性を向上させ、天体ニュートリノとのマルチメッセンジャーコリレーションを用いて近隣のUHECR源を特定する。
• 広範な大気シャワー（EAS）測定とエネルギーキャリブレーションの向上を活用して、荷電粒子天文学の技術を開発する。
• ハドロン相互作用モデルがXmaxデータの解釈および組成の進化に果たす役割を明確化する

提案手法

• 蛍光望遠鏡と地上検出器を組み合わせたハイブリッド検出器を用いて、エネルギーキャリブレーションと組成感度を向上させる。
• 10^17から10^20 eVの範囲で、Xmax測定による縦方向シャワー発展解析を適用し、核種組成を推定する。
• テレスコープアレイ（TA）とピエール・オーギャー観測所（Auger）の両方の半球間比較を実施し、系誤差を低減し、非一様性を検出する。
• TAとAugerのデータを統合したブラインド非一様性探索を実施し、潜在的な源関連性を同定する。
• LHCに調整されたハドロン相互作用モデルを用いて、Xmax分布を平均原子質量（A）にマッピングし、組成の進化を追跡する。
• 将来の天体ニュートリノ観測とUHECRデータを統合し、源同定に向けたマルチメッセンジャーアプローチを実現する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最高エネルギー宇宙線の真の性質は何か—陽子、核種、あるいはそれらの混合であり、エネルギーに応じてどのように組成が進化するのか？
• RQ2 約10^19.5 eVにおける観測されたフラックス抑制とスペクトル特徴は、GZKカットオフを示しているのか、それとも宇宙線加速メカニズムの限界を示しているのか？
• RQ3 10^19.6 eVを超える到着方向における方向性の非一様性を用いて、近隣のUHECR源を特定できるか？
• RQ4 銀河系内および銀河間磁場が点源信号をどの程度ぼやけさせ、その影響を固有の源構造から分離できるか？
• RQ5 UHECRは高エネルギーニュートリノ源とどのように相関するのか？マルチメッセンジャーアストロノミーによって共通の起源を確立できるか？

主な発見

• UHECRスペクトルは、約5 EeVにアンクを有する二重に折れたべき乗則的スペクトルを示すが、エネルギー再スケーリング後の最高エネルギー域でTAとAugerのデータに矛盾が生じている。
• AugerのXmax測定では、10 EeVを超えるとXmaxフラクチュエーションの標準偏差が減少し、延長率も低下しており、エネルギーに伴い平均質量の増加が段階的に示唆されている。
• 約10^19.5 eVで、LHCに調整されたハドロンモデルを用いて解釈すると、平均バリオン数はA ≈ 14–20と推定され、重い核への移行が示唆される。
• TAは10^19.75 eVを超える宇宙線で顕著な過剰を観測している一方、Augerは近隣のスターバースト銀河と4σの相関を、VHEガンマ線放射銀河核（AGNs）と2.7σの関連性を確認している。
• TA-Augerの組み合わせた組成解析では、全エネルギー領域で実験的不確かさの範囲内で整合性が確認され、進化する組成像の信頼性が裏付けられている。
• 観測された非一様性パターンは、アンクより下では軽い（陽子主導）であり、高エネルギー域に達すると重くなると示唆しており、単純な銀河系内・銀河外遷移モデルに反する。