鉄より重い原子核として飛来する超高エネルギー宇宙線―アマテラス粒子の謎―

2026-05-08 京都大学

京都大学基礎物理学研究所などの国際研究グループは、観測史上最高級エネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線の一部が、鉄より重い「極重原子核」である可能性を理論的に示した。研究対象となったのは、100エクサ電子ボルトを超える「アマテラス粒子」のような宇宙線で、その起源は長年の謎だった。研究では、極重原子核が宇宙空間を伝播する際のエネルギー損失を詳細計算した結果、陽子や中間質量原子核より高エネルギー領域で生存しやすく、地球へ到達しやすいことが判明した。さらに、ピエール・オージェ観測所とテレスコープアレイの観測データを解析し、極重原子核成分の存在量へ初めて制限を与えた。その結果、中性子星連星合体や大質量星崩壊が、極重原子核を加速する有力候補天体であることが示された。研究は、超高エネルギー宇宙線起源解明に新たな視点を与える成果として注目される。

鉄より重い原子核として飛来する超高エネルギー宇宙線―アマテラス粒子の謎―
超高エネルギー極重宇宙線原子核の模式図。中性子星連星合体や大質量星の崩壊で作られた極重原子核が加速され、宇宙背景光と相互作用しながら地球へ届く様子を示す。作成:B. T. Zhang and K. Murase(Google SlidesおよびそのAI支援機能を使用)

<関連情報>

極重・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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