猶他大學的天文物理學家和望遠鏡陣列偵測到了能量超出理論極限的宇宙射線，這對粒子物理學的現有認識提出了挑戰。這些發現，包括Oh-My-God 粒子和天照粒子，都指向未知的宇宙現象，是目前研究的重點。

新發現的”天照粒子”僅次於”Oh-My-God 粒子”，它加深了人們對稀有超高能量宇宙射線的起源、傳播和粒子物理學的神秘感。

1991年，猶他大學的”飛眼”實驗探測到了有史以來觀測到的最高能量宇宙射線。這種宇宙射線後來被稱為Oh-My-God 粒子，它的能量震撼了天文物理學家。銀河系中沒有任何東西有能力產生這種粒子，而且這種粒子的能量超過了理論上從其他星系射向地球的宇宙射線的能量。簡而言之，這種粒子不應該存在。

此後，望遠鏡陣列觀測到了30 多個超高能量宇宙射線，但沒有一條接近Oh-My-God 等級的能量。觀測結果還沒有揭示它們的起源，也沒有揭示它們是如何到達地球的。

望遠鏡陣列實驗的表面偵測器陣列觀測到的極高能量宇宙射線（名為”天照粒子”）的插圖。資料來源：大阪都立大學/L-INSIGHT、京都大學/竹重龍之介

2021年5月27日，望遠鏡陣列實驗偵測到了第二高的極高能量宇宙射線。這種亞原子粒子的能量為2.4 x 1020eV，相當於從腰部高度往腳趾上丟一塊磚頭。在猶他大學和東京大學的領導下，望遠鏡陣列由507 個表面探測器站組成，以正方形網格排列，面積達700 平方公里（約270 英里），位於猶他州西部沙漠的三角洲外。該事件觸發瞭望遠鏡陣列西北區域的23 個探測器，飛濺範圍達48 平方公里（18.5 英里）。它的到達方向似乎來自本虛空，而本虛空是與銀河系接壤的一片空曠空間。

“這些粒子能量很高，應該不會受到銀河系和銀河系外磁場的影響。你應該能夠在天空中指出它們來自哪裡，”美國加州大學望遠鏡陣列聯合發言人、該研究的合著者約翰-馬修斯（John Matthews）說。”但是，在Oh-My-God 粒子和這種新粒子的情況下，你可以追蹤其軌跡找到它的源頭，但並沒有什麼高能量足以產生它。這就是其中的奧秘–到底發生了什麼？”

國際合作研究人員於2023 年11 月24 日在《科學》雜誌上發表了他們的觀察結果，其中描述了這種超高能量宇宙射線，評估了它的特徵，並得出結論：這種罕見現象可能遵循了科學未知的粒子物理學。研究人員以日本神話中的太陽女神命名它為”天照粒子”。研究人員使用不同的觀測技術探測到了”Oh-My-God”和”天照”粒子，證實了這些超高能量事件雖然罕見，但卻是真實存在的。

藝術家繪製的超高能量宇宙線天文學插圖，與受電磁場影響的較弱宇宙線形成對比，以闡明能量極高的現象。資料來源：大阪都立大學/京都大學/竹重龍之介

“這些事件似乎來自天空中完全不同的地方。這不像是有一個神秘的源頭，”該研究的合著者、京都大學教授約翰-貝爾茨（John Belz）說。”這可能是時空結構的缺陷，也可能是宇宙弦的碰撞。我的意思是，我只是吐槽人們提出的瘋狂想法，因為沒有常規的解釋。”

宇宙射線是劇烈天體事件的迴聲，這些天體事件將物質剝離成亞原子結構，並以接近光速的速度將其拋向宇宙。從本質上講，宇宙射線是由正質子、負電子或整個原子核組成的能量範圍廣泛的帶電粒子，它們在太空中穿梭，幾乎無時無刻不在向地球傾瀉。

宇宙射線撞擊地球的高層大氣，炸開氧氣和氮氣的原子核，產生許多次級粒子。這些粒子在大氣層中飛行很短的距離，然後重複這個過程，形成由數十億次級粒子組成的陣雨，散落到地表。這種二次粒子雨的足跡非常大，需要偵測器覆蓋與望遠鏡陣列一樣大的區域。表面探測器利用一套儀器為研究人員提供每條宇宙射線的資訊；訊號的時間顯示了其軌跡，撞擊每個探測器的帶電粒子的數量顯示了主粒子的能量。

由於粒子帶有電荷，它們的飛行軌跡就像彈珠台中的小球，在宇宙微波背景的電磁場中”之”字形飛行。要追蹤大多數宇宙射線的軌跡幾乎是不可能的，因為它們處於能量光譜的中低端。即使是高能量宇宙射線也會被微波背景扭曲。具有Oh-My-God 和天照能量的粒子在星際空間爆炸時相對不會彎曲。只有最強大的天體事件才能產生它們。

「人們認為能量很高的東西，例如超新星，能量遠遠不夠。」馬修斯說：」需要巨大的能量、非常高的磁場來限製粒子，同時讓它加速。”

超高能量宇宙射線必須超過5 x 1019 eV。這意味著單一亞原子粒子所攜帶的動能與大聯盟投手的快球相同，其能量是任何人造粒子加速器所能達到的能量的數千萬倍。天體物理學家計算出的這個理論極限被稱為格萊森-扎策平-庫茲明（GZK）分界線，是質子在微波背景輻射的相互作用帶走其能量之前能夠保持的最大遠距離能量。已知的候選源，如活動星系核或黑洞吸積盤發射的粒子噴流，往往距離地球超過1.6億光年。新粒子的2.4 x 1020 eV 和Oh-My-God 粒子的3.2 x 1020 eV 很容易就超過了這個值。

研究人員也分析了宇宙射線的成分，以尋找其起源的線索。與由氫原子質子組成的較輕粒子相比，鐵核等較重粒子較重，電荷也較多，在磁場中較容易彎曲。這種新粒子很可能是質子。粒子物理學認為，能量超過GZK 臨界點的宇宙射線太強大了，微波背景無法扭曲它的軌跡，但回溯它的軌跡卻指向了虛空。

貝爾茨說：”也許磁場比我們想像的要強大，但這與其他觀測結果不符，其他觀測結果表明磁場不夠強大，不足以在這些10到20電子伏的能量下產生明顯的曲率。這是一個難解的謎團。”

望遠鏡陣列在偵測超高能量宇宙射線方面具有得天獨厚的優勢。它位於約1200 公尺（4000 英尺）的海拔高度上，這個海拔高度是二級粒子最大發展的甜蜜點，但在它們開始衰變之前。它位於猶他州的西部沙漠，在兩個方面提供了理想的大氣條件：乾燥的空氣至關重要，因為濕度會吸收探測所需的紫外線；該地區的黑暗天空也至關重要，因為光污染會產生太多噪音，遮蔽宇宙射線。

天文物理學家仍然對這神秘現象感到困惑。望遠鏡陣列正在進行擴建，他們希望這將有助於破案。一旦完成，500 個新的閃爍探測器將擴大望遠鏡陣列的範圍，對2900 平方公里（1100 平方英里）的宇宙射線誘發的粒子陣列進行採樣，這個面積幾乎相當於羅德島州的面積。更大的覆蓋範圍有望捕捉到更多的事件，從而揭示發生了什麼。