Understanding Multimessenger Connections among High-Energy Cosmic Particles

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01901
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Murase Kohta 京都大学, 基礎物理学研究所, 特任准教授 (00839433)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井岡 邦仁 京都大学, 基礎物理学研究所, 教授 (80402759)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: マルチメッセンジャー / ニュートリノ / ガンマ線 / 宇宙線

Outline of Final Research Achievements

We investigated the multimessenger connection among ultrahigh-energy cosmic rays, neutrinos, and gamma rays. We proposed a new scenario, in which neutrinos, X-ray and gamma-ray backgrounds, and ultrahigh-energy cosmic rays are explained by active galaxies in a unified manner. We also presented general studies on the unification scenario that high-energy neutrinos and ultrahigh-energy cosmic rays originate from the same astrophysical population, and derived the current observational constraints and discussed prospects for future observations considering transients such as low-luminosity gamma-ray bursts. We showed that cosmic-ray nuclei can be accelerated to ultrahigh energies in jetted active galaxies, and performed detailed calculations of neutrinos and gamma rays that are produced via interactions with ambient photons. Furthermore, we investigated neutrino and gamma-ray signatures of ultrahigh-energy cosmic-ray acceleration in the brightest gamma-ray burst ever observed.

Free Research Field

宇宙粒子物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超高エネルギー宇宙線の起源と高エネルギーニュートリノの起源は宇宙粒子物理学における重大な問いであり、その統一描像は魅力的な可能性である。活動銀河による統一的描像は、IceCubeニュートリノ観測所による近傍銀河NGC1068からの高エネルギーニュートリノ検出の結果とも整合的であり、将来のニュートリノやガンマ線観測計画、粒子加速の理論的研究にも刺激を与えている。一方、ガンマ線バーストも超高エネルギー宇宙線の加速天体として依然有力な候補であり、近年高エネルギーガンマ線が検出されたことで再脚光を浴びている。研究成果は今後のマルチメッセンジャー観測による検証に指針を与えるものといえる。