1960 年代に発見されて以来、超高エネルギー宇宙線は科学者を魅了してきました。すべての宇宙線と同様に、間違いなく誤った名前が付けられています。それらは放射線の「光線」ではなく、陽子や原子核全体などの亜原子粒子であり、宇宙を疾走します。このような超高エネルギーは超高速から発生し、光そのものの速度に近づきます。
「超高」と見なされるためには、宇宙線は 100 京電子ボルト、つまり 1,000 ペタ電子ボルト (PeV) のオーダーの運動エネルギーを運ばなければなりません。キーボード。このような小さな物体 (ちりの 1 兆分の 1) に非常に多くのエネルギーを絞り込むことは、人類の加速器の能力をはるかに超えています。 P>
そして、平均的な超高エネルギー宇宙線と同じくらい驚くべきものかもしれませんが、研究者が観察することができた非常にまれなオーバーアチーバーは本当に驚くべきものであり、最大 300 倍のエネルギー、なんと 300,000 PeV を運びます。参考までに、これは深宇宙から飛び出す特に素早い素粒子の発射物が、よく打たれたテニス ボールの衝撃を吸収できることを意味します。
天体物理学者は、これらの粒子をそのようなばかげた速度に正確に加速するものはまだわかっていませんが、彼らは必死に知りたいと思っています.もっともらしい犯人は、大質量星の爆発的な死や、天の川を越えた超大質量ブラックホールの貪欲な摂食など、真に大変動的な出来事だけです。宇宙で最も極端な物理学.
ただし、大きな問題が 1 つあります。荷電粒子として、すべての宇宙線は移動中に接触する電磁場によってそらされ、真の天体起源までさかのぼることはほぼ不可能です。幸いなことに、研究者たちは、自然が別の方法を提供してくれることを発見しました。ニュートリノは、最高エネルギーの宇宙線自体と同じ発生源で生成されると考えられている電気的に中性の粒子です。
シカゴ大学の天体物理学者であるアビゲイル・ビエレッグは、「私はニュートリノを完璧なメッセンジャー粒子と考えています。 「彼らは宇宙の遠く離れたところから移動するという点でユニークであり、ここに来る途中で何かと相互作用したり、磁場で曲がったりすることはありません。」
ニュートリノで宇宙を探る
平均的なニュートリノが 50 ～ 50 の確率で、1 光年にわたる鉛 (9.5 兆キロメートルの高密度の金属) を完全に無傷で通過します。ニュートリノは物質とほとんど相互作用しないため、ニュートリノは元の場所をまっすぐに指し示します。しかし、これは両刃の剣です。あたかも透明であるかのように宇宙を横断することの避けられない結果は、ニュートリノが地球上の検出器を通常同じように、痕跡なしに通過することです.
ニュートリノを見る可能性を高めるために、科学者は南極での IceCube 実験のような巨大な検出器を構築する必要があります。これは、一連の光学センサーを備えた 1 立方キロメートルの南極の氷で構成されています。世界最大のニュートリノ天文台である IceCube は、ニュートリノが氷中の分子と衝突するときに生成される荷電粒子シャワーによって放出される閃光を探します。 2018 年、IceCube は巨大なフレア ブレーザーからのニュートリノを報告しました。そしてつい最近の 2 月には、星からのニュートリノがブラック ホールによって引き裂かれているという証拠が確認されました。
しかし、最高エネルギーでは、「IceCube はちょうど蒸気を使い果たします」と Vieregg は言い、超高エネルギー ニュートリノの光学的痕跡を観測する合理的な可能性を得るには、少なくとも 100 立方キロメートルの氷が必要になると指摘します。極端な速度は非常にまれです。問題は検出ユニット間の間隔にあります。光は散乱または吸収される前に氷の中を数十メートルしか移動できないため、光学アレイを密に詰める必要があり、達成可能な検出器のサイズが厳密に制限されます。
このように、100 立方キロメートルのアイスキューブ スタイルの観測所は、技術的および財政的な実現可能性の境界をはるかに超えているため、超高エネルギー粒子の発生源は未発見のままです。最初の超高エネルギー ニュートリノを観測するために、天体物理学者は代わりに電波検出のより経済的なアプローチに焦点を移しました。電波は氷の中を光学光よりも数百メートル遠くまで移動できるため、わずかなコストではるかに大きな体積をカバーするために、よりまばらな検出ユニットのアレイを構築できます。
NASAのゴダード宇宙飛行センターの天体物理学者であるトニア・ベンターズは、「ラジオは未来です。 「これは、他の検出技術では非常に困難であることがわかっていることを実行できる可能性を秘めた補完的なプローブであると考えています。」
ニュートリノ電波放射
氷のような物質での荷電粒子シャワーの電波放射は、超高エネルギーの光信号よりもさらに強力であるため、極端な宇宙への魅力的なプローブとなっています。この現象は、1962 年に最初に予測したロシア系アルメニア人の物理学者 Gurgen Askaryan にちなんで、Askaryan 効果として知られています。
しかし、アスカリヤン効果を観察する初期の試みは失敗に終わり、それが超高エネルギー粒子の検出に使用できるかどうかについては懐疑的な見方が広まりました。ハワイ大学マノア校の天体物理学者であるピーター・ゴーハムは、「これが本当の効果かどうかについては、多くの疑いがありました。 「これを真剣に受け止めている高エネルギー素粒子物理学者は多くありませんでした。」
それにもかかわらず、物理学者の小さいながらも回復力のあるチームは粘り強く、この分野は 2000 年に転機を迎えました。スタンフォード線形加速器センター (SLAC) のトレーラーの後部でアスカリアン効果が確認されたときです。
アスカリャンの予測から 60 年近く経った今、電波領域でのニュートリノ検出が始まったばかりです。 SLAC のチームのメンバーだったゴーハムは、「これがもたらす可能性のある新しい物理学は、私たちが夢見ることさえできないものです」と述べています。 「宇宙加速器の性質について学び、他の方法ではアクセスできないエネルギー空間の領域を観察します。」
次世代ラジオの取り組み
ハワイ大学マノア校のゴーハムが率いるニュートリノ電波天文学の先駆的な取り組みは、2006 年にデータの収集を開始した ANITA (南極衝撃過渡アンテナ) でした。 10 年間にわたって約 1 か月にわたる観測キャンペーンを 4 回実施し、そのたびに数キロメートル上空を飛行して、下にある南極の氷床をスキャンし、超高エネルギー ニュートリノの衝突による電波放出の兆候を調べました。
1 月、NASA は超高エネルギー観測用ペイロード (PUEO) に資金を提供しました。これは ANITA の遺産から構築される次世代の実験です。 ANITA や PUEO などの気球搭載型検出器は、高高度の視点から、ニュートリノ探索で 100 万平方キロメートル以上の氷を監視できるため、地上での実験よりも優れています。 PUEO の初飛行は 2024 年に予定されており、ANITA よりも多くの技術的進歩を取り入れて、より多くのエネルギーに対する感度を高め、ニュートリノ イベント率を高めます。
しかし、気球を使った探索が誇る拡大された視野は、アンテナ アレイが氷の上を遠くまで飛んでいるため、微弱なニュートリノ信号からの電波放射を見ることができない可能性があるという事実によって相殺されます。もう 1 つのマイナス面は、困難な天候の現実です。悪天候は、南極の氷床上でのあらゆる種類の気球作業を定期的に中断させます。これらの問題に対処するために、天体物理学者は「両方の長所を活かす」アプローチを採用し、大量の氷の内部に新しい無線アレイを作成し、気球による実験と連携してより広いエネルギー範囲をカバーできるようにしています。研究者たちは、シカゴ大学が主導する氷上実験であるグリーンランド電波ニュートリノ天文台 (RNO-G) の設置に向けて準備を進めています。
「RNO-G は、今後 3 年間で 35 ステーションのアンテナが設置された、これまで氷上に構築された最大の電波検出器となるでしょう」と、天文台の建設に携わったペンシルバニア州立大学の天体物理学者である Stephanie Wissel は述べています。多くの研究者は、RNO-G によって超高エネルギー ニュートリノが初めて検出され、極限宇宙への最初の覗き見がすぐに可能になるだろうと楽観的です。
しかし、そうでない場合、アイスキューブの提案された後継であるIceCube-Gen2で使用するために、氷内無線アレイの概念が拡大され、強化された光学システムを取り囲む200のアンテナステーションを持つことになります。 「IceCube は、約 10 ペタ電子ボルトまでのニュートリノを見ることができます。しかし、追加の無線コンポーネントを使用すると、これは数千または数十万にも達するでしょう」と、PUEO と RNO-G の両方の主任研究員である Vieregg は言います。この拡張された精力的な範囲は、IceCube-Gen2 の総予算のわずか 10% であり、無線検出の費用対効果が高く評価されています。
より斬新な検出戦略では、氷ではなく空気中の荷電粒子シャワーからの電波を探します。前者は、ニュートリノが地球の表面近くの地下で相互作用することによるものです。適切な条件があれば、これらの地球をすくうニュートリノは高エネルギー粒子を生成し、大気中に逃げて崩壊し、広範囲の電波を放出する空気シャワーになります。
これは、ニュートリノ検出用の巨大無線アレイ (GRAND) の戦略です。その巨大なサイズの実験にふさわしい名前です。フランス、中国、オランダ、ブラジルの機関によって組織され、資金提供されている国際的な GRAND コラボレーションは、200,000 平方キロメートルの無線アレイ (つまり、約ネブラスカのサイズ)
GRAND の提案を共同執筆したコペンハーゲン大学の天体物理学者である Mauricio Bustamante は、次のように述べています。これらのアレイの位置は重要であると彼は説明します。なぜなら、これらのアレイは「電波の静かな」エリアにある必要があるからです。今日まで、GRAND は中央アジアの天山山脈にいくつかの遠隔地を特定しており、世界中の追加の場所を偵察する計画を立てています。
さまざまな次世代の電波実験が進行中であるため、天体物理学コミュニティは、自然の最もエネルギッシュでとらえどころのないメッセンジャーの 1 つがついに発見された後、未来がどうなるかについてのアイデアで賑わっています。 「私は、最初の超高エネルギー ニュートリノの発見を大いに期待しています」と Wissel は言います。 「どの実験が最初にそれを行うかはわかりませんが、多くの発見の可能性を秘めた宇宙への新しい窓を開くでしょう。」
そして、この分野の歴史に精通している科学者にとって、新しい宇宙のフロンティアの探査は過去への頌歌です。物理学は、20 世紀に空から来た粒子を研究することで栄えました。 「自分のマシンが教えてくれる以上のことを知りたいと思ったときに、再び宇宙加速器に戻るのは自然なことです」とブスタマンテは言います。 「それこそが、私たちの宇宙の最高エネルギー粒子を研究する目的です。」
