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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
宇宙線の謎
宇宙ジェットの謎
通常物質
イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン
宇宙創成の謎
熱いビッグバン宇宙
暗
黒
時
代
現
在
の
宇
宙
の
加
速
膨
張
暗黒
物質
ダークエネルギー
宇宙膨張の謎
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
どこまで加速出来るか？
•
B
加速器
–
KEK ps: 50GeV
, 4£
10-16cm
F
' 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=109 eV
1TeV=103 GeV= 1012 eV
E
対生成
負エネルギー
電子の海
x
磁場から作るとすると
Cf. 中性子星の
回転減衰時間
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/
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¢106 GeV （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 …
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
背景放射バリアー
g
p
エネルギー条件： ECM > m¼ + mN
p
N
e
g
e+
g
エネルギー条件： ECM > 2me
Optical depth against CMB
Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009; Roncadelli, de Angelis, Mansutti 2009
GZK効果
Lorentz不変性の破れ？
GZK limit = 5£1010 GeV
p + gCMB ! N + p
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-ZatsepinKuzmin(1966)
From http://pdg.lbl.gov/
Axion
• Originally,
a psued-Goldstone boson for the Peccei-Quinn chiral symmetry to
resolve the strong CP problem.
• Basic features of the invisible QCD axion
– Weak coupling (chiral) :
gaq ¼ mq/fa ; fa &108GeV
– Small mass by the QCD instaton effect:
ma ¼ 10-3 eV (1010GeV/ fa)
q
a
– Dark matter candidate
g5
a . 0.01 (fa/1010GeV)1.175
– Coupling to gauge fields via anomaly: g a F Æ F
• General Definition (ALP)
– A pseudo scalar with shift symmetry and P/CP violation
g
g
Axions in Astrophysics
• Key point
Axions are converted to and from
photos by mixing:
q
a
g5
• Solar axions due to the Primakov
effect:
– CAST experiment at CERN(2007, 2008)
Cast Collaboration (2008) arXiv: 0810.4482
g
B, E
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)
CAST Bounds
CAST Collaboration
(2008)
arXiv:0810.4482
Experimetal Constrants: 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.
J. Jaeckel, A. Ringwald:
arXiv:1002.0329
The Low-Energy Frontier of
Particle Physics
g-a Conversion by Magnetic Fields
•
Propagation equation
where
with pl2=4p 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
Spectral Deformation of Cosmic g-rays by
Galactic and Intergalactic Magnetic Fields
•
Photon-ALP conversion rate
where
•
Estimations
Can be observed by GLAST(10% deformation) and E*=102 GeV » 1 TeV
if ma ¼ 10-6»10-8eV at the CAST bound on ga g 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]
• Strong mixing can occur between cosmic gray and axions by cosmic magnetic fields
Fairbairn, Rashba, Troitsky 2009 arXiv0910.4085
– 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
宇宙ジェットの謎
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
中性子星，ブラックホール
Crab Nebula (HST + Chandra)
[HubbleSite]
銀河中心にある巨大ブラックホール
1kpc scale jet from M87
[HubbleSite]
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
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)
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．
49 jet sources from 2cm multiepoch VLBA observations
[Kellermann et al, ApJ609:539(2004) ]
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)]
Kato et al: ApJ 605, 307 (2004)
•
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。
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。
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．
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。
Kerr BH
エルゴ領域
•
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。
E0 < E1
Observatories of Extreme Physics
•
Gravitational Waves
–
–
•
Radio
–
–
•
Hakucho, Tenma, Ginga, Aska, Suzaku, Chandra ⇒ ?
Gamma-rays
–
–
•
Ground-base telescope: Subaru(8m) ⇒ JELT(30m), TLT, Euro50, …
X-rays
–
•
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 Laser Interferometers: Stellar systems
TAMA, LIGO, GEO, Virgo ⇒ LGCT, Adv-LIGO, LIGOII
Space Laser Interferometers: ⇒ BBO: LISA, DECIGO
Ground-base: CANGAROO, HESS, MAGIC ⇒ CTA
Space: EGRET⇒ GLAST
Cosmic Rays
–
–
Neutrinos
(Super-)KAMIOKANDE, Cascade Grande, AMANDA ⇒ CAROT, ICECube
UHE
CRs observations of
HALCA
AGASA, HiResand
⇒ NGC4261
Pierre Auger.
NGC1052
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
• Asymptotic behaviour
– At infinity
– At horizon
where *= – mh ,
.
Superradiance
• Flux conservation
• Superradiance condition
This condition is equivalent to
Cf. Penrose process in the ergo region [Penrose 1969]
Black Hole Bombs
• Black hole in a mirror box
[Zel’dovich 1971; Press, Teukolsky 1972; Cardoso, Dias, Lemos, Yoshida 2004]
• Massive bosonic fields 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]
Axionic Instability of BHs
• Due to the superradiance instability, black holes with a specific mass
lose angular momentum resonantly.
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 .