超高エネルギー宇宙粒子が超重元素の秘密を運ぶ可能性(Ultrahigh-energy cosmic messengers may carry ultraheavy secrets)

2026-05-07 ペンシルベニア州立大学(Penn State)

Penn State Eberly College of Scienceの研究チームは、超高エネルギー宇宙線やニュートリノなどの「宇宙メッセンジャー」が、未知の超重元素や新粒子物理の手掛かりを含む可能性を示した。研究では、極端に高エネルギーな宇宙粒子が宇宙空間を伝播する過程を解析し、通常の陽子や軽元素だけでは説明しにくい観測データに着目した。その結果、鉄より重い超重核種が宇宙線源に存在する場合、粒子崩壊や相互作用によって特徴的なエネルギースペクトルや二次粒子が生成される可能性が示された。これにより、ブラックホール周辺や活動銀河核など極限環境での元素合成過程を理解できる可能性がある。また、次世代観測装置によって、宇宙線組成やニュートリノ信号から新しい物理現象を検出できる期待も高まっている。研究は、宇宙物理学と素粒子物理学を結ぶ重要な知見となる。

超高エネルギー宇宙粒子が超重元素の秘密を運ぶ可能性(Ultrahigh-energy cosmic messengers may carry ultraheavy secrets)
Artist’s impression of an ultra-high energy cosmic ray reaching Earth. New research suggests that some of the highest-energy cosmic rays may consist of atomic nuclei heavier than iron. The background depicts candidate source objects for these cosmic rays, such as active galactic nuclei and strongly magnetized neutron stars. Credit: Osaka Metropolitan University/Kyoto University L-INSIGHT/Ryuunosuke Takeshige. All Rights Reserved.

<関連情報>

超重超高エネルギー宇宙線 Ultraheavy Ultrahigh-Energy Cosmic Rays

B. Theodore Zhang, Kohta Murase, Nick Ekanger, Mukul Bhattacharya, and Shunsaku Horiuchi
Physical Review Letters  Published: 7 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/221m-gvs3

Abstract

We investigate the propagation of ultraheavy (UH) nuclei as ultrahigh-energy cosmic rays (UHECRs). We show that their energy loss lengths at ≲300  EeV are significantly longer than those of protons and intermediate-mass nuclei, and that the highest-energy cosmic rays with energies beyond ∼100  EeV, including the Amaterasu particle, may be UH-UHECRs. For the first time, we derive constraints on the contribution of UH-UHECR sources, and find that the current data are consistent with energy generation rate densities of UHECRs from collapsars and neutron star mergers. Our model predicts that the mean value of the depth of shower maximum is lower than that for iron nuclei beyond 100 EeV, which can be tested with future composition measurements, e.g., AugerPrime and the Global Cosmic Ray Observatory. In addition, the spectral tension between the Telescope Array (TA) and the Pierre Auger Observatory can be alleviated by considering the enhanced contribution of UHECRs—including UH nuclei—from a nearby transient.

1701物理及び化学
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