[論文レビュー] White Paper on Ultra-High Energy Cosmic Rays

Angela V. Olinto, Jenni Adams+7 more|ArXiv.org|Mar 2, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、6×10¹⁹ eVを超える超高エネルギー宇宙線（UHECR）を検出するため、宇宙線観測施設の大幅な拡張を提唱している。次世代の機器により、これらの極端な粒子の起源を解明し、地上で実現できないエネルギー領域における素粒子物理学を解明できると主張している。UHECR、光子、ニュートリノを測定することで、ガンマ爆発や活動銀河核などの天体的起源を特定し、地上実験では到達できないエネルギー領域における磁場や粒子相互作用を制約する。

ABSTRACT

A fundamental question that can be answered in the next decade is: WHAT IS THE ORIGIN OF THE HIGHEST ENERGY COSMIC PARTICLES? The discovery of the sources of the highest energy cosmic rays will reveal the workings of the most energetic astrophysical environments in the recent universe. Candidate sources range from the birth of compact objects to explosions related to gamma-ray bursts or generated around supermassive black holes in active galactic nuclei. In addition to beginning a new era of high-energy astrophysics, the study of ultra-high energy cosmic rays will constrain the structure of the Galactic and extragalactic magnetic fields. The propagation of these particles from source to Earth also probes the cosmic background radiation and gives insight into particle interactions at orders of magnitude higher energy than can be achieved in terrestrial laboratories. Next generation observatories designed to study the highest energy cosmic rays will have unprecedented sensitivity to ultra-high energy photons and neutrinos, which will further illuminate the workings of the universe at the most extreme energies. For this challenge to be met during the 2010-2020 decade, a significant increase in the integrated exposure to cosmic rays above 6 1019 eV will be necessary. The technical capabilities for answering this open question are at hand and the time is ripe for exploring Charged Particle Astronomy.

研究の動機と目的

• 宇宙で観測された最高エネルギーの宇宙線の原因となる天体的起源を特定すること。
• 6×10¹⁹ eVを超える宇宙線に対する露出を著しく増加させることで、荷電粒子天文学の新時代を実現すること。
• UHECRの伝播に関する研究を通じて、銀河系および銀河間磁場の構造を制約すること。
• 地上の加速器で達成できないエネルギー領域における粒子相互作用を解明すること。
• 超高エネルギー光子およびニュートリノに対する感度を向上させ、極限の宇宙環境を理解するための補足的知見を提供すること。

提案手法

• 超高エネルギー宇宙線に対する感度と露出を大幅に向上させた次世代の観測施設の設置を提言する。
• 広範な地上および宇宙ベースの検出システムを活用し、UHECRのエネルギー、到達方向、組成を測定する。
• UHECRが宇宙磁場および背景放射を通過する際の伝播をモデル化し、源の位置や性質を推定する。
• UHECRの到達方向と既知の天体的源（例：活動銀河核、ガンマ爆発源）との相関を分析する。
• 超高エネルギー光子およびニュートリノのデータを統合し、源の同定を検証し、放射メカニズムを制約する。
• 既存の技術的基盤を活用して、2010年代にUHECRの起源を解明するための必要な露出の増加を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6×10¹⁹ eVを超えるエネルギーにまで加速される宇宙線を生成している天体的源は何か？
• RQ2 銀河系および銀河間磁場は、超高エネルギー宇宙線の伝播にどのように影響を与えるか？
• RQ3 UHECRが宇宙背景放射と相互作用する様子から、極限エネルギー領域における素粒子物理学に何が明らかになるか？
• RQ4 超高エネルギー光子およびニュートリノは、UHECR源の同定および特徴付けにどのように利用できるか？
• RQ5 恒星の崩壊やガンマ爆発、そして特大質量ブラックホールを有する活動銀河核は、最高エネルギー宇宙線の生成に果たす役割は何か？

主な発見

• 2010–2020年代にUHECRの起源を解明するためには、6×10¹⁹ eVを超える宇宙線に対する統合露出を著しく増加させる必要がある。
• UHECRの検出は、地上加速器で到達できないエネルギー領域における粒子相互作用を独自に探査する手段を提供する。
• 宇宙磁場および背景放射を通過するUHECRの伝播は、これらの磁場の構造と高エネルギー相互作用の性質に関する制約を提供する。
• 次世代の観測施設は、超高エネルギー光子およびニュートリノに対する前例のない感度を達成し、極限の天体的環境におけるマルチメッセンジャースタディを可能にする。
• UHECRの研究は、最近の宇宙における最もエネルギーの高いプロセスを明らかにする、荷電粒子天文学の新時代を開く。
• UHECRの候補源には、恒星の崩壊に伴うコンactな天体の形成、ガンマ爆発関連の爆発、そして特大質量ブラックホールを有する活動銀河核が含まれる。