Plasma wakefield acceleration for ultrahigh-energy cosmic rays

超高エネルギー宇宙線のプラズマ航跡場加速

Chen, P.*; 田島 俊樹; 高橋 義幸*

Chen, P.*; Tajima, Toshiki; Takahashi, Yoshiyuki*

相対論的流れのあるプラズマ中のアルヴェン衝撃波によって誘起された航跡場に基づく宇宙線加速の新しい機構を導入する。この機構においてはテスト粒子の単位長さあたりのエネルギー利得はローレンツ不変である。加速粒子が無衝突になりプラスマ中でエネルギーをほとんど失わなくなる透明性のための閾値がある。乱雑な加速-減速フェーズの統計的邂逅は、1/Eという巾乗則を生み出す。こうしたプラズマ航跡場を生み出すのに好都合な環境は宇宙に汎在している。例えば、超GZK,超高エネルギー宇宙線(UHECR)の生成機構が線バーストにおいて起きる。こうした加速においては、10eV/cm にのぼる加速匂配にもなる。この理論で評価された超高エネルギー粒子量は、UHECRの観測と一致している。

A cosmic acceleration mechanism is introduced which is based on the wakefields excited by the Alfven shocks in a relativistically flowing plasma,where the energy gain per distance of a test particle is Lorentz invariant. We show that there exists a threshold condition for transparency below which the accelerating particle is collision-free and suffers little energy loss in the plasma medium. The stochastic encounters of the random accelerating-decelerating phases results in a power-law energy spectrum: 1/E. The environment suitable for such plasma wakefield acceleration can be cosmically abundant. As an example, we discuss the possible production of super-GZK ultra high energy cosmic rays ( UHECR ) through this mechanism in the atmosphere of gamma ray bursts. We show that the acceleration gradient can be as high as 10eV/cm. The estimated event rate in our model agrees with that from UHECR observations.