1991 年 10 月 15 日の夜、「オーマイゴッド」粒子がユタ州の空を横切りました。
宇宙からの宇宙線であり、320 エクサ電子ボルト (EeV) のエネルギーを持っていました。これは、人類がこれまでに作った中で最も強力な加速器であるラージ ハドロン コライダーで粒子が到達するエネルギーの数百万倍です。粒子は非常に速く進んでいたため、光との 1 年間の競争で、わずか 1000 分の 1 の髪の毛が失われていたでしょう。そのエネルギーは、ボーリングのボールをつま先に落としたときのエネルギーに匹敵しました。しかし、ボウリングのボールには、星の数と同じ数の原子が含まれています。ユタ大学の天体物理学者であるデビッド・キエダは、「以前は、これほど多くのエネルギーを単一の粒子に集中できるとは考えていませんでした」と述べています。
落ちた場所から 5 マイルほど離れた場所で、ある研究者が、砂漠の山の頂上に停められた、ネズミがはびこる古いトレーラーの中で勤務していました。以前、夕暮れ時に、Mengzhi “Steven” Luo はフライズ アイ検出器のコンピューターのスイッチを入れていました。フライズ アイ検出器は、外の不毛の地面に点在する数十個の球面鏡の配列です。それぞれのミラーは、暗渠の一部から作られた回転する「缶」の中にボルトで固定されていました。これは、太陽がセンサーを吹き飛ばさないように、日中は下を向いていました。晴れた月のない夜に闇が落ちたとき、ルオは缶を空に向かって巻き上げました.
「それはかなり大雑把な実験でした」と、ルオや他の数人とフライズアイを操作したキエダは言いました。 「しかし、うまくいきました。それが問題でした。」
Oh-My-God 粒子のかすかに光る飛行機雲 (コンピューター プログラマーでオートデスクの創設者であるジョン ウォーカーが初期の Web 記事で吹き替えたもの) は、翌年の夏に Fly's Eye のデータで発見され、グループがさらに 1 年かけて説得力を高めた後に報告されました。それ自体、信号は本物でした。この粒子は、数十年前に Kenneth Greisen、Georgiy Zatsepin、および Vadim Kuzmin によって計算された宇宙の速度制限を破りました。Kenneth Greisen、Georgiy Zatsepin、および Vadim Kuzmin は、約 60 EeV を超えてエネルギーを与えられた粒子は、宇宙に浸透する背景放射と相互作用し、それによって急速にエネルギーを放出して減速すると主張しました。この「GZK カットオフ」は、Oh-My-God 粒子が最近近くで発生したに違いないことを示唆しています。おそらく、銀河の局所的なスーパークラスター内です。しかし、そのような粒子を生成するには、想像を絶するサイズとパワーを備えた天体物理学の加速器が必要です。科学者が粒子が来た方向を見たとき、そのようなものは何も見えませんでした.
「裏庭にゴリラがいてボーリングのボールを投げているようなものですが、ゴリラは目に見えません」と Kieda 氏は言います。
Oh-My-God 粒子はどこから来たのですか?どうして存在できるのでしょうか？本当ですか？これらの疑問は、天体物理学者に、より大きくより洗練された検出器を構築する動機を与え、その後、60 EeV カットオフを超える数百の「トランス GZK」イベントを含む、1 EeV を超えるエネルギーを持つ「超高エネルギー宇宙線」を数十万以上記録しました ( 320 EeV に達する)。 GZK の速度制限を破る際に、これらの粒子はこれまでになされた最も遠い予測の 1 つに挑戦しました。それらは、他の方法では到達できないスケールでの物理法則への窓を提供できる可能性があるように思われました。おそらく、素粒子物理学を宇宙全体の進化と結び付ける可能性さえあります。少なくとも、彼らは、望遠鏡のレンズでしか光っていなかった異常な天体物理学的オブジェクトの働きを明らかにすることを約束しました.しかし、何年にもわたって、粒子がセンサーを横切ってあらゆる方向の光のブラシストロークを一掃したため、たとえば超大質量ブラックホールや銀河の衝突の場所に一致する可能性のある証拠パターンを描く代わりに、混乱を引き起こしました.超高エネルギー宇宙線を専門とするペンシルバニア州立大学の半ば引退した天体物理学者であるポール・ソマーズは、「特定の理論で宇宙線データを説明するのは困難です。 「あなたが提案するものには問題があります。」
ごく最近になって、空の宇宙線「ホットスポット」の発見、関連する高エネルギー宇宙粒子の検出、およびより身近なエネルギーでの物理学のより良い理解により、研究者は超高エネルギーを理解する探求の最初の足がかりを確保しました。 -エネルギー宇宙線。 「私たちは非常に急速に物事を学んでいます」と、シカゴ大学の理論天体物理学者であるティム・リンデンは言いました。
足首の問題
毎秒何千もの宇宙線が地球の大気の各平方フィートに衝突していますが、1910 年代初頭に一連の大胆な熱気球飛行が行われるまで、発見を逃れていました。オーストリアの物理学者ビクター・ヘスは、大気圏を何マイルも上昇したときに、電離放射線の量が高度とともに増加することを観察しました。 Hess は、日食の間でも荷電粒子のこのうなりを測定し、その多くが太陽の向こうから来たことを立証しました。彼は 1936 年にその功績によりノーベル物理学賞を受賞しました。
宇宙線は、宇宙線として知られるようになり、あらゆる方向から地球の磁場を通り抜け、エネルギーがスムーズに広がります。 (海面では、宇宙線が大気を突き破る際に生成される低エネルギーの二次放射線を経験します。) ほとんどの宇宙線は単一陽子であり、原子核の正に帯電した構成要素です。残りのほとんどはより重い核であり、いくつかは電子です。宇宙線はエネルギーが強いほど、希少性が高くなります。最も希少なものは、「超高エネルギー」と呼ばれ、1 EeV を超えるもので、地球の各平方キロメートルに 1 世紀に 1 回しか衝突しません。
エネルギーに応じて検出器をまき散らす宇宙線の数をプロットすると、エネルギー スペクトルの「膝」と「足首」の 2 つの曲がりがある下り勾配の線が得られます。これらは、さまざまな種類の宇宙線、または次第に大きく強力なソースへの移行を示しているようです。問題は、どのタイプで、どのソースか?
多くの専門家と同様に、ドイツのヴッパータール大学の天体物理学教授であり、世界最大の超高エネルギー宇宙線検出器であるピエール オージェ天文台のスポークスパーソンであるカール＝ハインツ カンペルトは、宇宙線はソニック ブームのようなものによって加速されると考えています。超音速ジェットですが、より壮大なスケールです。太陽フレアから星の爆発（超新星）、パルサーと呼ばれる急速に回転する星、神秘的な超新星から発せられる巨大なローブまで、衝撃加速は宇宙のあらゆる規模で見られる基本的なプロセスです. -活動銀河核として知られる明るい銀河。いずれも加熱された物質 (または「プラズマ」) が音速よりも速く流れ、陽子やその他の粒子のクラストを蓄積する膨張する衝撃波を生成する場合です。粒子は衝撃波を横切って前後に反射し、テーブルとパドルの間でピンポンする小さなボールのように、プラズマの磁場と空の空間の真空の間に閉じ込められます。パーティクルは跳ね返るたびにエネルギーを獲得します。 「その後、それは脱出します」とカンペルト氏は言いました。「そして宇宙を移動し、実験によって検出されます。」
Quanta Magazine の Emily Fuhrman
宇宙線は、プラズマが音速よりも速く流れるときに生成される衝撃波を前後に反射する「衝撃加速」によってエネルギーを与えられる可能性が最も高い.プラズマの磁場が強くて大きいほど、粒子に与えることができるエネルギーが大きくなります。超高エネルギー宇宙線は 1 エクサ電子ボルト (EeV) を超えます。
しかし、さまざまな衝撃波を宇宙線エネルギー スペクトルの一部と一致させようとすると、天体物理学者は不安定な立場に置かれます。彼らは、陽子とより重い原子核が (それぞれ) 超新星の衝撃波でエネルギーを与えられる最高点を膝と足首がマークすると予想します。これは、私たちの銀河で最も強力な加速器です。計算によると、陽子は約 0.001 EeV で最大になるはずであり、実際、これは膝と一致します。超新星衝撃波からのより重い原子核は、0.1 EeV に達することができると考えられており、この数値は、「銀河系外」宇宙線のより強力な発生源への予想される遷移点になります。これらは、天の川銀河や他のほとんどの銀河には見られない特異な物体からの衝撃波であり、それ自体が銀河サイズである可能性があります.しかし、測定されたスペクトルの足首 - 「明確な遷移があるように見える唯一の場所」である - は約5 EeVであり、銀河宇宙線の理論上の最大値を1桁上回っている.この不一致をどう判断するかは誰にもわかりません.
足首を過ぎると、約 60 EeV で、線はゼロに向かって下がり、一種のつま先を形成します。これはおそらく GZK カットオフです、 初期宇宙の相転移によって生成された周囲の宇宙マイクロ波にエネルギーを失う前に、宇宙線が非常に長くしか滞ることができないポイント.カンペルトが宇宙線について「これまでに行われた唯一の確固たる予測」と呼ぶカットオフの存在は、2007 年にフライズアイの後継である高解像度フライズアイ実験 (HiRes) によって確立されました。そこから、エネルギー スペクトルはトランス GZK 宇宙線のトリクルに減少し、最終的に 320 EeV で 1 つのデータ ポイント:Oh-My-God 粒子で終了します。
GZK カットオフの存在は、物理法則が期待どおりに機能していることを意味します。これらの法則を反証するのではなく、トランス GZK 宇宙線はおそらく近くで発生します (周囲のマイクロ波がエネルギーを吸収する前に地球に到達します)。しかし、どこで、どのように？途方もない 20 年間、粒子はあらゆる場所から、特にどこからも発生していないように見えました。しかし、ついに北半球にホットスポットができました。これは目に見えないゴリラがボウリングのボールを地球に向かって飛ばしているのでしょうか?
ますます熱くなる
元のフライズ アイの場所から車で 3 時間のユタ州では、その最新の子孫が砂漠を横切って無秩序に広がっています。762– Telescope Array と呼ばれる平方キロメートルのグリッドの検出器。この実験では、2008 年以来、超高エネルギー宇宙線によって生成された数十億個の粒子からなる「エア シャワー」を追跡してきました。ユタ大学で天文学と天文学を学び、Telescope Array のスポークスマンを務めています。
おおぐま座を中心とするトランス GZK 宇宙線のホットスポットは、最初は弱すぎて真剣に受け止められませんでした。しかし、過去 1 年間で、「4 シグマ」の推定統計的有意性に達しており、99.994% の確率で本物である可能性があります。 Thomson と彼のチームは、発見を決定的に主張するには、5 シグマの確実性に到達する必要があります。 (Thomson は、これが 6 月に予定されているグループの次のデータ分析で起こることを望んでいます。) すでに、理論家はホットスポットを彼らのアイデアのアンカーとして扱っています。
「本当にエキサイティングです」とリンデンは言いました。より多くのデータがあれば、ホットスポット内で発生源の位置を特定できると彼は説明しました (宇宙線が銀河と地球の磁場を通過するときに、宇宙線の偏向によって不鮮明になります)。空の同じ場所から来る他の種類の粒子を追跡することで、「何桁ものエネルギーで発生源がどのように機能するかのモデルが得られます」と彼は言いました。目に見えないゴリラが実体化します。
その間、これらの他の粒子の一部は、南極の下に埋もれたケーブルが注入された立方キロメートルの氷のブロックであるIceCube検出器のセンサーにゆっくりと積み重なっています.過去 4 年間、IceCube はニュートリノのまれな氷の飛跡を監視してきました。ニュートリノは軽量の素粒子で、通常は物質を通り抜けるため、検出に多大な努力が必要ですが、宇宙全体の物理プロセスから大量に生成されます。
時々、宇宙ニュートリノは原子と相互作用し、IceCube を通過するときに放射線を生成します。それらの進行方向は、超高エネルギー宇宙線の地図や光の地図と比較できる宇宙の新しい地図をたどります。 2013 年、IceCube の科学者は、史上初の超高エネルギー ニュートリノの観測を報告しました。これは、「バート」と「アーニー」という愛称で呼ばれる 0.001 EeV の粒子のペアで、超高エネルギーの宇宙線を生成するのと同じソースから発生した可能性があります。 .ニュートリノは、宇宙で最も強力な物体からのメッセンジャーとして、宇宙線よりも大きな利点があります。ニュートリノは電気的に中性であるため、直線的に移動します。 「ニュートリノは発生源から自由に移動するため、宇宙に新しい窓を開くことができる可能性があります」と、IceCube のスポークスパーソンであるスウェーデンのウプサラ大学の Olga Botner 氏は述べています。
最新の分析時点で IceCube が検出した 54 個の高エネルギー ニュートリノのうち、 5 月初旬に報告された 4 つは、宇宙線ホットスポットの近くから発生しています。 （ニュートリノは、北の空から地球を通過した後、検出器に入ることができます。）リンデンが説明したように、この「相関のヒント」は手がかりになる可能性があります。宇宙線はニュートリノよりも地球に到達するのに時間がかかるため、共通のソースは何年もの間、エネルギー粒子を送り出していたに違いありません。ガンマ線バーストなどの短命のソース候補は、安定したオブジェクトを優先して除外されます。おそらく、中心に超大質量ブラックホールがある星形成銀河です。 「今後数年間で、さらに多くのニュートリノを取得する予定です。この相関関係がどのように展開するかを見ていきます」と Linden 氏は述べています。ただし、現時点では、相関関係は非常に弱いです。 「私は地面に足を踏み入れているわけではありません」と彼は言いました。
宇宙線やニュートリノと並んで、宇宙の「ガンマ線」（高エネルギー光子）は、今後数年間でサードメッセンジャーとして機能します。それらは、宇宙線の父にちなんで命名されたナミビアでの HESS (高エネルギー立体視システム) 実験や、アリゾナでの VERITAS (非常に高エネルギーの放射線イメージング望遠鏡アレイ システム) を含む、いくつかの主要な調査の対象であり、Kieda は、元はえの目の科学者でしたが、現在は働いています. 宇宙線、ニュートリノ、ガンマ線のデータを組み合わせることで、天体物理学者が宇宙で最も強力な加速器を特定し、そのイメージを明確にするのに役立つはずです。検索は、ホットスポットを中心に編成されます。
トムソンは、銀河の糸と「フィラメント」と呼ばれる暗黒物質にお金をかけており、それらは宇宙全体に覆われており、長さは数億光年あり、現存する最大の構造の 1 つです。ホットスポットの方向にフィラメントがあります。 「それはおそらくフィラメントの何かです」とトムソンは言いました。いずれにせよ、彼は次のように付け加えました。あとは、さらにデータを収集するだけです。」
プールの排水
ピエール オジェ天文台のカンペールは、別の方向から超高エネルギー宇宙線の謎に迫っています。それは何ですか?
一部の天体物理学者は、オージェ天文台は「運が悪かった」と言っています。アルゼンチンの 3,000 平方キロメートルの草原をカバーし、Telescope Array よりもはるかに多くのデータを収集しますが、南半球にホットスポットは見られず、北半球の隆起に近い場所はどこにもありません。ケンタウルス A と呼ばれる活発な銀河核と別のフィラメントを覆っているトランス GZK 宇宙線が空にわずかに集中している証拠を検出しました。しかし、Kampert 氏は、Auger がこのいわゆる「ウォームスポット」が本物であることを証明するのに十分なデータを収集することは決してないかもしれないと述べています。それでも、手がかりが不足していること自体が謎です。
「これは非常に豊富なデータ セットであり、何も見えません」と、オージェ天文台の設計と編成を支援したソマーズ氏は述べています。 「それは私にとって本当に素晴らしいことです。 1980 年代にさかのぼると、現在の統計があれば、明らかなホットスポットとパターンが存在することに大金を賭けていたでしょう。本当に疑問に思います。」
Kampert は、彼と彼の同僚は、確かにそこにあるホットスポットを探す方法をもっと賢くする必要があると考えています。宇宙の局所領域は、粒子をトランス GZK エネルギーに加速できる物体によって一様に覆われているわけではありません。問題は磁気偏向です、と彼は言いました。銀河および銀河外の磁場は、陽子をコースから 5 ～ 10 度曲げ、含まれる陽子の数に応じて、より重い原子核をその何倍も曲げます。オージェのエア シャワー イベントの分析 (ラージ ハドロン コライダーでの粒子衝突からの最先端の結果を統合) は、最高エネルギーの宇宙線が、炭素原子核または鉄原子核でさえ構成される重い側にある傾向があることを示唆しています。
「最高のエネルギーで [より重い原子核] がある場合、空は常にぼやけているか、塗りつぶされています」とカンペール氏は言います。 「プールの底から天文学をするようなものです。」
彼と彼のチームは、イベントごとに宇宙線の組成を特定する能力を備えた実験を更新したいと考えています。これにより、最も軽く、たわみが最も少ない粒子のみの間の相関関係を探すことができます。 「組成は、最高エネルギー粒子の起源を理解する鍵です」と彼は言いました。
また、宇宙線エネルギー スペクトルの遠端にあるより重い原子核へのシフトは、それ自体が主要な手がかりになる可能性があります。超新星が陽子をスペクトルの「膝」までしか加速せず、それよりも重い原子核しか推進できないのと同じように、宇宙で最も強力な天体物理学の加速器もまた加速する可能性があります。科学者たちは、宇宙線スペクトルの真の限界を垣間見ている可能性があります。陽子、ヘリウム、炭素、鉄が最大になるポイントです。この低下を測定することは、巨大な加速器がどのように機能するかを明らかにするのに役立ち、特定の候補を他の候補よりも優先します.
理論家たちは、たとえそれらが鉄でできていたとしても、200-EeV 範囲の粒子または 320 の Oh-My-God 粒子を生成するこれらの候補のいずれかを想像するのにまだ苦労しています。 「[320 EeV] の粒子を得る方法は、どの理論から見ても簡単ではありません」と Thomson 氏は言います。 「しかし、それはそこにありました。それは起こりました。」
その事実さえも問われている。 1990 年代初頭、ユタ大学で一時的に働いていた Sommers は、Fly's Eye の科学者が 320-EeV 信号を分析するのを手伝いました。しかし、「大きな出来事」(彼がそう呼んでいるように) は「当時の基準でかなりよく測定された」ものでしたが、フライズアイは「単眼」実験から完全には移行していませんでした。 2つ（2番目の目は建設中）。後の立体視アレイの精度と冗長性に欠けていました。 Sommers 氏は、エネルギー推定値を疑う重大な理由は知られていないが、「今は疑わしいに違いない.露出が大幅に増加したため、より正確な新しい観測所は、そのような高エネルギーの粒子を検出できませんでした。これほど高いエネルギーの粒子の流れは非常に低いに違いないので、フライズアイがそれを検出したのは信じられないほどのひらめきだったでしょう。」
Oh-My-God 粒子のエネルギーの計算に使用されたエラー バーは、すべて同時に間違った方向にずれていた可能性があります。もしそうなら、それはこの分野にとって幸運な間違いであり、他の多くのトランス GZK 粒子が後に続くため、研究者を大きく誤解させることなく新しい実験を動機付けました.そして、オーマイゴッド粒子が間違いだったとしても、おそらく誰も知ることはないだろう.
