100 年以上にわたり、科学者たちは宇宙線、つまり極度のエネルギーで宇宙を移動する信じられないほど強力な粒子を理解しようと努めてきました。何十年にもわたる研究にもかかわらず、それらがどこから来て、どのように加速されるのかについての多くの疑問は未解決のままです。現在、DAMPE (暗黒物質粒子探査機) 宇宙望遠鏡を使って研究している研究者たちは、重要な新しい手がかりを発見しました。彼らの調査結果は、 自然これらの神秘的な粒子の共通の特徴が明らかになり、科学者が粒子の起源をより深く理解するのに役立つ可能性があります。
宇宙線は、自然界でこれまでに観察された中で最も高いエネルギーを持つ粒子です。それらは、地球上の最先端の加速器でさえ生成される粒子よりもはるかに多くのエネルギーを運びます。科学者たちは、それらは超新星爆発、ブラックホールからのジェット、パルサーなど、宇宙で最も激しい出来事のいくつかによって作成されたと信じています。
2015 年 12 月に打ち上げられた DAMPE 宇宙望遠鏡は、宇宙線の性質を研究し、暗黒物質との関連の可能性を調査するために設計されました。このミッションには、ジュネーブ大学 (UNIGE) の核素粒子物理学科 (DPNC) の天体物理学グループからの主要な貢献が含まれています。
DAMPE が収集した非常に正確なデータを調べることで、研究者らは、軽い陽子からはるかに重い鉄の原子核に至るまで、原始宇宙線原子核のエネルギースペクトルに普遍的なパターンがあることを発見しました。
「宇宙線は主に陽子で構成されていますが、ヘリウム、炭素、酸素、鉄の原子核も含まれています」とUNGE理学部DPNC准教授で研究論文の共著者であるアンドレイ・ティホノフ氏は説明する。 「これらの粒子は、数十億電子ボルトのエネルギー、数十億電子ボルトから数千億電子ボルトの中間粒子、1兆電子ボルト以上の高粒子にも分類されます。」
科学者が共通の宇宙線パターンを発見
この研究では、研究した核の種類ごとに、粒子の数が特定のしきい値に達した後、はるかに速く減少し始めることが示されました。科学者はこの効果を「スペクトル軟化」と呼んでいます。
一般に、高エネルギー宇宙線は、エネルギーが増加するにつれて発生しにくくなります。しかし、DAMPE の観察では、剛性が約 15 Tv (TLV) を超えると、低下が劇的に急になることが明らかになりました。剛性は、粒子の経路が磁場による曲げにどれだけ強く抵抗するかを表します。
これと同じ特性が多くの異なる種類の粒子に現れるため、この発見は、宇宙線の加速と宇宙の運動が剛性によって支配されることを示唆する理論を強く裏付けています。同時に、データは核子あたりのエネルギー（粒子内の核子の数で割ったエネルギー）に基づく競合する説明をほぼ除外しています。研究者らによると、これらの代替モデルに対する信頼度は 99.999% に達します。
AI と高度な検出器が発見を促進します
ジュネーブの研究者がこの画期的な進歩において中心的な役割を果たしました。研究チームは、望遠鏡で検出された粒子イベントを再現するための高度な人工知能手法を開発しました。また、陽子とヘリウムの束に関する重要な測定にも貢献し、炭素原子核データの分析にも役立ちました。
さらに、ジュネーブ グループは、DAMPE の主要な機器の 1 つであるシリコン タングステン トラッカー (STK) の開発を主導しました。この検出器は、粒子の経路を正確に追跡し、入ってくる宇宙線の電荷を決定するために不可欠です。
この発見は、宇宙線がどのように形成され、どのように銀河内を移動するかを理解する上で重要な進歩を示しています。科学者らは、今回の新たな結果により、天体物理源における粒子加速の既存モデルに厳しい制限が課せられ、高エネルギー粒子が星間空間をどのように移動するかについての理解が深まると述べている。
