超高エネルギー宇宙線

宇宙素粒子物理学において、超高エネルギー宇宙線（UHECR）とは、 1 EeV（10 ¹⁸電子ボルト、約 0.16ジュール）を超えるエネルギーを持つ宇宙線であり、 ^{[ 1 ]}他の宇宙線粒子の典型的な静止質量とエネルギーの両方をはるかに超えています。これらの最高エネルギー宇宙線の起源は不明です。^{[ 2 ]} 

これらの粒子はまれです。2004年から2007年の間に、ピエール・オージェ観測所（PAO）の初期運用では、推定到着エネルギーが1000を超える事象が27件検出されました。5.7 × 10 ¹⁹  eV、つまり、観測所が調査した3 000 km ² ( 1 200 mi ² )の領域では、約 4 週間に 1 回、このようなイベントが発生していることになる。 ^{[ 3 ]}  

エネルギーが1000を超える宇宙線粒子の最初の観測1.0 × 10 ²⁰  eV (16 J) は、1962 年にニューメキシコ州のボルケーノランチ実験でジョン・リンズリーとリビオ・スカルシ によって作られた。^{[ 4 ] [ 5 ]}

その後、さらに高エネルギーの宇宙線粒子が観測された。その中には、1991年10月15日の夕方、ユタ州ダグウェイ試験場上空でユタ大学のフライズアイ実験によって観測された「オーマイゴッド粒子」も含まれる。この粒子の観測は天体物理学者たちに衝撃を与え、彼らはそのエネルギーを約100万と推定した。3.2 × 10 ²⁰  eV (50  J) ^{[ 6 ]} —基本的に、時速約 100 キロメートル (60 mph)で飛んでいる野球ボール( 5 オンスまたは 142 グラム)と同じ運動エネルギーを持つ原子核です。 

この粒子のエネルギーは、地上の粒子加速器 で生成された最高エネルギー陽子の約4000万倍です。しかし、このエネルギーのうち地球上の陽子や中性子との相互作用に利用できるのはごく一部であり、エネルギーの大部分は相互作用生成物の運動エネルギーとして残ります（「衝突型加速器」§ 「説明」を参照）。このような衝突に利用できる有効エネルギーは、粒子のエネルギーと陽子の質量エネルギーの積の2倍の平方根であり、この粒子の場合、次のようになります。 7.5 × 10 ¹⁴  eV 、これは大型ハドロン衝突型加速器の衝突エネルギーの約50倍です。

ユタ大学のフライズアイ宇宙線検出器による最初の観測以来、少なくとも15件の同様の事象が記録され、この現象が確認されている。これらの非常に高エネルギーの宇宙線粒子は非常にまれであり、ほとんどの宇宙線粒子のエネルギーは10  MeVから10  GeVの間である。

• AGASA – 日本の巨大空気シャワーアレイ「あけの」
• 南極インパルス過渡アンテナ（ANITA）は、超高エネルギー宇宙線粒子によって引き起こされると考えられている超高エネルギー宇宙ニュートリノを検出します。
• 極限宇宙宇宙観測所
• GRAPES-3（ガンマ線天文学PeVエネルギー第3施設）は、南インドのウーティにある空気シャワー検出器アレイと大面積ミューオン検出器を用いた宇宙線研究プロジェクトです。
• 高解像度フライズアイ宇宙線検出器（HiRes）
• MARIACHI – 米国ロングアイランドに設置された、高電離宇宙線のレーダー調査用複合装置。
• ピエール・オージェ天文台
• 望遠鏡アレイプロジェクト
• ヤクーツク広範囲エアシャワーアレイ
• トゥンカ実験
• フロリダA&M大学のCOSMICiプロジェクトは、 MARIACHIと共同で、超高エネルギー宇宙線シャワー用の低コスト検出器の分散ネットワーク向け技術を開発している。
• 宇宙線超分散観測所（CREDO）

これらの稀な高エネルギー宇宙線の起源は不明である。観測では銀河面との相関が見られず、銀河磁場は粒子をこれらのエネルギーまで加速するほど強くないため、これらの宇宙線は銀河外起源であると考えられている。^{[ 2 ]}

超高エネルギー粒子は、宇宙の距離を移動する際に、宇宙マイクロ波背景放射の光子と相互作用する可能性がある。 ^{[ 21 ]}このことから、これらの宇宙線には、観測された宇宙線スペクトルと一致するグライゼン・ザツェピン・クズミン限界（GZK限界）として知られる高エネルギーカットオフが予測された。^{[ 2 ]： 6}

粒子の伝播は宇宙磁場によっても影響を受ける可能性がある。銀河磁場に関する研究はいくつか存在するものの、銀河系外磁場の起源と規模は十分に解明されていない。^{[ 2 ]： 15}

• 銀河系外宇宙線– 宇宙線の一種 
• HZEイオン– 宇宙起源の高エネルギー重イオン リダイレクトターゲットの簡単な説明を表示するページ 
• 太陽高エネルギー粒子– 太陽から放出される高エネルギー粒子 
• オーマイゴッド粒子– 1991年に検出された超高エネルギー宇宙線 

• Elbert, JW; Sommers, P. (1995). 「320 EeVフライズアイ宇宙線の発生源を探して」The Astrophysical Journal . 441 (1): 151– 161. arXiv : astro-ph/9410069 . Bibcode : 1995ApJ...441..151E . doi : 10.1086/175345 . S2CID 15510276 . 
• クレイ、R.、ドーソン、B. (1997).宇宙の弾丸：天体物理学における高エネルギー粒子.パーセウスブックス. ISBN 978-0-7382-0139-9。
• Seife, C. (2000). 「ハエの目が宇宙線の消滅のピークを捉える」Science . 288 (5469): 1147– 1149. doi : 10.1126/science.288.5469.1147a . PMID 10841723 . S2CID 117341691 .  
• ピエール・オージェとのコラボレーション;アブレウ;アリエッタ。アギーレ;アラード。アレコッテ。アレン。アリソン。アルバレス。アルバレス・ムニス。アンブロージオ。アンチョルドキ。アンドリンガ。アンザローネ。アラモ。アルギロ;有坂;アルメンガウド。アルネオド。アルケロス。アッシュ;アソーリー;アシス;アトゥルガマ。オーブリン;アベニュー;アビラ;後援者;バダニャーニ。他 。 (2007)。 「最高エネルギー宇宙線と近くの銀河系外天体との相関」。科学。318 (5852 ) : 938–943。arXiv : 0711.2256 。Bibcode : 2007Sci...318..938P。doi : 10.1126/ science.11 ​​51124. PMID 17991855. S2CID 118376969 .  

• これまで記録された中で最もエネルギーの高い粒子2009年8月15日にWayback Machineにアーカイブされました。フライズアイ検出器の公式サイトからのイベントの詳細。
• ジョン・ウォーカーによる1991年の出来事に関する生き生きとした分析は、1994年に出版された。
• 高エネルギー宇宙粒子の起源が特定された、マーク・ペプロウ著、news@nature.com掲載、2005年1月13日公開。
• Saharan, Mohit. 「ピエール・オージェ観測所における超高エネルギーニュートリノの探索」(PDF) . NNV年次会議 2022、Nikhef .