2021年5月27日、アメリカ ユタ州で行われている国際共同宇宙線観測実験「テレスコープアレイ実験」で244EeV（エクサ電子ボルト）という、観測史上類を見ない超高エネルギーの宇宙線を発見した。これは、観測史上最大のエネルギー量を誇る「オーマイゴッド（OMG）粒子」以来最も高エネルギーな宇宙線であり、物理学者たちはそれが何なのか、どこから来たのかを解明しようと努めている。
日本神話の最高神である「天照大神」にちなみ「アマテラス粒子」と名付けられたこの粒子は、物理学者が過去数十年間に検出した超高エネルギー宇宙線と呼ばれるいくつかの謎の粒子のひとつである。
大阪公立大学、東京大学、理化学研究所、ユタ大学等の国際的な研究グループによるこの研究は、本日、学術誌『Science』に発表された。
超高エネルギー粒子が地球に降り注ぐ
2021年5月27日、ユタ州の砂漠に広がる観測装置が素粒子のシャワーを検出した。この結果は、テレスコープアレイ実験が行われている270平方キロメートルの範囲の上空のどこかで、小さな、しかしとてつもないエネルギーを持った何かが地球の大気に衝突したことを意味していた。大阪公立大学大学院 理学研究科および南部陽一郎物理学研究所の藤井 俊博准教授は、発見当時の事を振り返り以下のように述べている：
この極めて高いエネルギーの宇宙線を初めて見つけたとき、かつてないエネルギーの値が表示されていたため、何かの間違いだろうと思いました。その後、到来方向に候補天体が見つけられず残念に思うと同時に、ではこの宇宙線はどこから来たのか、という新しい謎が見つかったワクワク感を覚えています。
大阪公立大学
宇宙空間には高エネルギーの放射線が存在し、地球に絶えず降り注いでいる。この放射線は「宇宙線」と呼ばれている。この宇宙線が地球大気に突入して相互作用を起こすと多量の二次粒子（その数は100億以上）を生成し、直径約10キロメートルの範囲に光子、電子、陽電子、そして今回は大量のミュー粒子をまき散らし、地表に到来する。この二次粒子群は「空気シャワー」と呼ばれ、地表に数キロ間隔で並べた複数台の地表粒子検出器によりほぼ同時に検出される。そして、複数台で検出された信号の大きさとマイクロ秒程度の時間差を利用し、到来した宇宙線の到来方向とエネルギーを推定する
藤井准教授らの観測装置が検出した入射物体は宇宙線であり、高速で移動する高エネルギーの素粒子である。まだ人類は、宇宙線がどこから来るのか完全には分かっていないが、超新星やブラックホールの周りにある強力な磁場によって光速近くまで加速されるという点では一致している。宇宙線はかなり頻繁に地球の大気上層部に衝突し、科学者たちは宇宙線が分裂した後に降り注ぐ二次粒子の雨を測定することで宇宙線を研究している。
（画像提供：大阪公立大学/京都大学/Ryuunosuke Takeshige）
通常の宇宙線のエネルギーは1EeV（エクサ電子ボルト）程度であるが、それでも大型ハドロン衝突型加速器のような人類が作った最も強力な粒子加速器の約100万倍である。これまでの観測では、10の8乗電子ボルト（= 100メガ電子ボルト）から10の20乗電子ボルト（= 100エクサ電子ボルト）の宇宙線が検出されている。しかし、藤井准教授らが2021年5月に検出したものは244EeVのエネルギーを持ち、控えめに言っても、桁外れの異常値だ。宇宙空間で何かがこの小さな素粒子を加速し、われわれの方向に投げつけたのだ。
この宇宙線は一体どこから来たのか
通常、粒子はそれほど大きなエネルギーで宇宙空間を飛び回ることはない。これまでの研究で、いくつかの宇宙線が超新星由来であることを突き止めることはできている。しかし、単なる超新星では、アマテラス粒子や他の超高エネルギー宇宙線に匹敵するほど高いエネルギーまで粒子を加速することはできない。そのためには、銀河の中心で成長する超大質量ブラックホールなどの、もっと激烈な宇宙の現象が候補として考えられている。
「超新星爆発など、人々がエネルギッシュだと考えるものは、これほどエネルギッシュなものではありません。加速される間に粒子を閉じ込めるためには、莫大なエネルギーと非常に高い磁場が必要です」と、テレスコープアレイ共同スポークス・パーソンであり、この研究の共著者であるJohn Matthews氏は言う。
藤井准教授らは、アマテラス粒子がどこから来たのかを解明しようとしているが、そのためにはアマテラスの組成を解明する必要がある。
「これらの現象は、空のまったく別の場所からやってきているように見える。一つの謎めいた発生源があるわけではありません。時空の構造に欠陥があるのかもしれないし、宇宙の糸が衝突しているのかもしれない。つまり、従来の説明では説明がつかないので、人々が思いついているクレイジーなアイデアをただ吐き出しているだけなのです」と、この研究の共著者であるユタ大学のJohn Belz教授は公式リリースで述べている。
地球に到達する宇宙線のほとんどは陽子1個であるが、中には電子を取り除いた、より大きく重い原子の原子核であるものもある。このような重い原子核は電荷が強く（陽子がより多く正電荷を帯びているため）、銀河系の磁場に引っ張られてコースを大きく外れることがある。そのため、物理学者が宇宙線の発生源を突き止めようとするならば、銀河系の磁場の適切な地図が必要であり、どのような宇宙線なのかを知る必要がある。
藤井准教授らが発表した地図は、この2つがいかに大きな違いをもたらすかを示している。研究チームは、銀河磁場に関する2つの異なるモデルと、アマテラス粒子の正体に関するいくつかの可能性を比較した。
通常、物理学者は宇宙線の二次シャワーに含まれる粒子から、宇宙線の元の組成を復元することができる。より一般的な、より低エネルギーの宇宙線については、物理学者は、元の宇宙線のエネルギーと組成に応じて、微小な素粒子の雨がどのように見えるべきかをシミュレートできるコンピューターモデルを持っている。物理学者がしなければならないのは、シミュレーションと実際のデータを比較し、どのモデルが最も適合するかを見極めることだけである。
しかし、アマテラス粒子のような高エネルギー宇宙線は、これまでにほんの一握りしか検出されていないため、物理学者はモデルに入れる情報をそれほど多く持っていない。
鉄の原子核のような重い粒子は、水素原子の陽子でできた軽い粒子よりも重く、電荷が多く、磁場で曲がりやすい。新粒子は陽子である可能性が高い。素粒子物理学によれば、GZKカットオフを超えるエネルギーを持つ宇宙線は、マイクロ波背景がその軌道を歪めるには強力すぎるが、その軌道を逆探知すると何もない空間に向かっている。
「磁場は我々が考えているよりも強いのかもしれませんが、磁場が電子ボルトの10倍から20倍のエネルギーで大きな曲率を生み出すほど強くないことを示す他の観測結果とは一致しません。本当に謎です」とBeltz氏は言う。
研究者らははいまだにこの謎めいた現象に困惑している。テレスコープアレイは、その謎を解明する一助となることを期待して、現在拡張工事の真っ最中だ。完成すれば、500個の新しいシンチレーター検出器によって、テレスコープ・アレイ2,900km2の広大な面積隣、より広範囲で宇宙線誘発粒子シャワーをサンプリングすることになる。より大きな設置面積によって、より多くの事象が捕捉され、何が起こっているのかを明らかにすることが期待される。
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