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２１世紀に残された宇宙の 謎 (1) 超高 エネルギー 宇宙 線と 宇宙ジェット

２１世紀に残された宇宙の 謎 (1) 超高 エネルギー 宇宙 線と 宇宙ジェット. 小玉英雄 理論宇宙物理グループ 素粒子原子核研究所， KEK. 高エネルギー加速器科学　　 2010 年 9 月 7 日. 通常物質. インフレーション. 暗黒時代. 現在の宇宙の加速膨張. 熱いビッグバン宇宙. 暗黒物質. ダークエネルギー. 宇宙線の謎. 宇宙ジェットの謎. 宇宙膨張の謎. 宇宙創成の謎. 宇宙線の謎. 加速器実験. CERN. KEK 50 GeV. (100GeV ⇒ LHC 7TeV). Fermilab (2TeV).

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  1. ２１世紀に残された宇宙の謎(1) 超高エネルギー宇宙線と宇宙ジェット 小玉英雄 理論宇宙物理グループ 素粒子原子核研究所，KEK 高エネルギー加速器科学　　2010年9月7日

  2. 通常物質 インフレーション 暗黒時代 現在の宇宙の加速膨張 熱いビッグバン宇宙 暗黒物質 ダークエネルギー 宇宙線の謎 宇宙ジェットの謎 宇宙膨張の謎 宇宙創成の謎

  3. 宇宙線の謎

  4. 加速器実験 CERN KEK 50 GeV (100GeV⇒ LHC 7TeV) Fermilab (2TeV) 高エネルギー素粒子の衝突反応 新素粒子の発見，相互作用の研究 自然法則の解明

  5. B F どこまで加速出来るか？ • 加速器 • KEK ps: 50GeV , 4£ 10-16cm 'rN/ 500 • CERN LEP: 100GeV(Cf. mZ' 91GeV) • FNAL Tevatron: 2TeV=2000GeV (Cf. mt' 170GeV) • LHC: 14 TeV) Higgs粒子，超対称性？ • 障害 • 軌道半径 • シンクロトロン放射 現在の加速器技術では、電子で100GeV程度，陽子で10TeV程度が限度！！ 1GeV=109eV 1TeV=103GeV= 1012eV

  6. E 対生成 負エネルギー電子の海 x 臨界電場 磁場から作るとすると 例：回転中性子星 Cf. 中性子星の回転減衰時間

  7. 高エネルギー宇宙線 宇宙からは，1011 GeVを超えるエネルギーの粒子が地球に降り注いでいる． • Emax > 1011 GeV • Knee: E» 106 GeV • Ankle E » 1010 GeV • Galaxy limit = 109 GeV • RL= pc/eB = 1 kpc From http://pdg.lbl.gov/

  8. エネルギー勘定 • 宇宙線の全エネルギー • CR ¼ 1 eV/cm3 ⇒ LCR¼ 1041 erg/s per galaxy Cf. 3£ EK,SN / 100 yr ¼ 1042 erg/s • 宇宙線の加速 • 衝撃波による１次のFermi加速では Emax» Z£ 5¢106GeV（超新星残骸） これにより，宇宙線の銀河成分およびスペクトルでの折れ曲がり（Knee）が説明出来る． • しかし，銀河系外に起源をもつ超高エネルギーがどこでどのように加速されるのかは大きな謎である。 GRBs, very massive DM, topological defects …

  9. 宇宙線加速のエネルギー上限 磁場によるジャイロ半径 < 領域のサイズ R シンクロトロンエネルギー損失

  10. 背景放射バリアー g p エネルギー条件： ECM > m¼ + mN p N e エネルギー条件： ECM > 2me g e + g

  11. Optical depth against CMB Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009; Roncadelli, de Angelis, Mansutti 2009

  12. GZK効果 Lorentz不変性の破れ？ GZK limit = 5£1010 GeV p + CMB! N +  GZK限界を超える宇宙線陽子は100Mpc以上の距離を飛べない． GZK=Greisen-Zatsepin-Kuzmin(1966) From http://pdg.lbl.gov/

  13. Axion • Originally, a psued-Goldstone boson for the Peccei-Quinn chiral symmetry to resolve the strong CP problem. • Basic featuresof the invisible QCD axion • Weak coupling (chiral) : gaq¼mq/fa ; fa&108GeV • Small mass by the QCD instaton effect: ma¼10-3eV (1010GeV/ fa) • Dark matter candidate a. 0.01 (fa/1010GeV)1.175 • Coupling to gauge fields via anomaly: g a F ÆF • General Definition (ALP) • A pseudo scalar with shift symmetry and P/CP violation g q a g5 g

  14. Axions in Astrophysics • Key point Axions are converted to and from photos by mixing: • Solar axions due to the Primakov effect: • CAST experiment at CERN(2007, 2008) g q a g5 B, E Cast Collaboration (2008) arXiv: 0810.4482

  15. Primakoff Effect • Conversion rate where s is the screening scale given by • Total axion number flux at the Earth • Estimation • Axion flux: a=g102 3.75£1011 cm-2 s-1 • Axion luminosity: La= g102 1.85£ 10-3 L⊙ • Average energy: h Ei =4.2 keV, h E2i=22.7 keV2 Raffelt GG: Plasmon decay into low mass bosons in stars, PRD37:1356 (1988)

  16. CAST Bounds CAST Collaboration (2008) arXiv:0810.4482

  17. ExperimetalConstrants: summary S. J. Asztalos, L. J. Rosenberg, K. van Bibber, P. Sikivie, and K. Zioutas, “Searches for astrophysical and cosmological axions,” Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 56 (2006) 293-326.

  18. J. Jaeckel, A. Ringwald: arXiv:1002.0329 The Low-Energy Frontier of Particle Physics

  19. -a Conversion by Magnetic Fields • Propagation equation where with pl2=4 ne/me being the plasma frequency, and R and CM represents the Faraday rotation effect and the vacuum Cotton-Mouton effect, respectively. • Non-resonant conversion For homogeneous magnetic fields, where For a random sequence of N coherent domains [Grossman Y, Roy S, Zupan J: PLB543:23(2002)] • Resonant conversion

  20. Spectral Deformation of Cosmic -rays by Galactic and Intergalactic Magnetic Fields • Photon-ALP conversion rate where • Estimations Can be observed by GLAST(10% deformation) and E*=102GeV» 1 TeV if ma¼ 10-6»10-8eV at the CAST bound on ga and • Intergalactic fields: Ldom» 1Mpc, B=(1-5)¢ 10-9G for D=200» 500 Mpc • Intracluster fields: Ldom» 10kpc, B=10-6G, ne' 10-3 cm-3 for D= 1Mpc • Galactic fields: Ldom» 10kpc, B=(2-4)¢10-6G, ne' 10-3 cm-3 for D= 1Mpc De Angelis A, Mansutti O, Roncadelli M: arXiv:0707.2695 [astro-ph]

  21. Strong mixing can occur between cosmicg-ray and axions by cosmic magnetic fields Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009 arXiv0910.4085

  22. UHE gammas from QSOs and Blazers can penetrate the CMB/CIRB barrier to explain the observed flux. Expected flux from 3C279 Optical depth against CMB Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009; Roncadelli, de Angelis, Mansutti 2009

  23. 宇宙ジェットの謎

  24. 宇宙はジェット流で満ちている！ 双極流＝生まれたての星からのジェット

  25. 中性子星，ブラックホール Crab Nebula (HST + Chandra) [HubbleSite]

  26. 銀河中心にある巨大ブラックホール 1kpc scale jet from M87 [HubbleSite]

  27. 超相対論的ジェットはクエーサー，マイクロクエーサー，γ線バースターのエンジン超相対論的ジェットはクエーサー，マイクロクエーサー，γ線バースターのエンジン ブラックホールからのジェットのLorentz因子 は，クエーサーで30，GRBで100－300にもなると推定される． ジェットは，活動的銀河中心核，ＱＳＯ，マイクロクエーサー，ガンマ線天体のみならず超新星爆発でも中心的な役割を果たしていると考えられるようになってきた． Mirabel IF, PTP Sup. 155, 71 (2004) 49 jet sources from 2cm multiepoch VLBA observations [Kellermann et al, ApJ609:539(2004) ]

  28. 超相対論的ジェットの加速機構は大きな謎 • MHD モデルは最も有力視されているが、十分大きなΓをもつ定常なジェットを実現することには成功していない。 • 超新星爆発を引き起こすジェットを生み出すのでさえ、異常な強さの磁場(> 1011 T)が必要となる。 • 数値シミュレーションは、ブラックホールエルゴ領域での磁気Penrose過程(Punsky B, Coroniti F 1990)のような一般相対論的効果が決定的な役割を果たしていることを示唆している [Nagataki S et al: ApJ, to be pub (2007)] • 宇宙ジェットは、超高エネルギー宇宙線の加速場所として最も有力な候補となっている。 Kato et al: ApJ 605, 307 (2004) 宇宙ジェットの研究は、超高エネルギー物理やブラックホールの構造を含めて、極限状況での物理について貴重な情報をもたらすと期待される。

  29. ジェット形成の困難 • 重力系は負の比熱をもつ： • Kepler運動： E=-GM/(2r), V2= GM/r dE<0 => dr <0 => dv >0 • Viral 平衡: 2<K>=-<EG> => E=-<K>= <EG>/2 • 熱エネルギーを用いて低エントロピージェットを形成するのは熱力学と矛盾： • ¢ E <0 => ¢ T>0 => ¢ S<0 • 唯一の解決策は，ブラックからエネルギーを引き出すこと．

  30. Kerr BH エルゴ領域 E0 < E1 Ergo Region • エルゴ領域 • 回転ブラックホールの周りには、粒子が静止できない領域が常に存在。 • この領域内の粒子は、負のエネルギーをもつことが許される。 • Penrose過程 • エルゴ領域が存在すると、ブラックホールからエネルギーを取り出すことが可能となる。 • 過反射現象 • エルゴ領域が存在すると、ブラックホールに入射した波が反射される際に、振幅が増幅されることが可能となる。　

  31. Observatories of Extreme Physics • Gravitational Waves • Ground-base Laser Interferometers: Stellar systems TAMA, LIGO, GEO, Virgo ⇒ LGCT, Adv-LIGO, LIGOII • Space Laser Interferometers: ⇒ BBO: LISA, DECIGO • Radio • Ground-base VLBI/VLBA: CJF, RRFID, 2cm Survey/MOJAVE • Space VLBI : HALCA(VSOP) ⇒ VSOP-2/ASTRO-G(磁場の測定可）, RADIO Astron • Optical/IR • Ground-base telescope: Subaru(8m) ⇒ JELT(30m), TLT, Euro50, … • X-rays • Hakucho, Tenma, Ginga, Aska, Suzaku, Chandra ⇒ ? • Gamma-rays • Ground-base: CANGAROO, HESS, MAGIC⇒ CTA • Space: EGRET⇒ GLAST • Cosmic Rays • Neutrinos (Super-)KAMIOKANDE, Cascade Grande, AMANDA ⇒ CAROT, ICECube • UHE CRs AGASA, HiRes⇒ Pierre Auger. HALCA observations of NGC1052 and NGC4261

  32. Massless Scalar Field around BH • Klein-Gordon product From the field equation the KG product defined by is independent of the choice of the Cauchy surface  in DOC. • Scattering problem No incoming wave from the black hole

  33. Asymptotic behaviour • At infinity • At horizon where *= – mh,.

  34. Superradiance • Flux conservation • Superradiance condition This condition is equivalent to Cf. Penrose process in the ergo region [Penrose 1969]

  35. Black Hole Bombs • Black hole in a mirror box [Zel’dovich 1971; Press, Teukolsky 1972; Cardoso, Dias, Lemos, Yoshida 2004] • Massive bosonicfields around a black hole [Damour, Deruelle, Ruffini 1976;] For light axions around an astrophysical black hole, an instability occurs. Its growth rate is [Zouros, Eardley 1979; Detweiler 1980] Numerical calculations show that the maximum instability is :[Furuhashi, Nambu 2004; Dolan 2007], Here note that Cf. AdS-Kerr black holes [Hawking, Reall 1999; Cardoso, Dias 2004; Cardoso, Dias, Yoshida 2006] Magnetic Penrose process and relativistic cosmic jets in GRB [van Putten 2000; Aguirre 2000; Nagataki, Takahashi, Mizuta, Tachiwaki 2007]

  36. Axionic Instability of BHs • Due to the superradiance instability, black holes with a specific mass lose angular momentum resonantly.

  37. Axionic Siren • If the angular-momentum supply by accretion is rapid enough, the system becomes a strong source of GW above the LISA bound as well as radiation if there exist strong magnetic fields. Here ² appears due to the GW emission loss and is of order 10-7 .

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