超高能宇宙线穿透深度测量的启示

对皮埃尔·俄歇天文台（PAO）超高能宇宙线穿透深度测量的简单解读表明，在能量范围 $1.1 - 35 \cdot 10^{18}$ eV 内存在从质子到更重原子核的转变。将这些数据与空气簇射模拟进行详细比较，揭示了观测流强中轻核（质子和氦）丰度所受的严格限制。我们找到了观测到的超高能宇宙线流强中质子占比的稳健上限，并排除了以质子和氦为主的成分。加速和传播效应导致观测到的成分与源处成分不同。利用一个考虑这些效应的简单玩具模型，我们表明观测结果要求源处具有极端的金属丰度，金属与质子的质量比为 1:1，这一比值比太阳丰度大一百倍。这种成分对当前所有超高能宇宙线加速器的天体物理模型施加了一个几乎不可能满足的限制。这可能为在约 100 TeV 能标处出现的新物理提供了首个线索，该新物理导致质子在这些能量下的截面更大。