日本研究團隊日前成功發現超高能量的宇宙射線，以日本神話中掌管太陽的「天照大神」命名，稱為「天照粒子」（Amaterasu particle）。究竟「天照粒子」帶來甚麼未解謎團，有可能開創出新的物理學？一切可以由「宇宙射線」的基本概念說起。
究竟甚麼是宇宙射線？
所謂「宇宙射線」（Cosmic ray）其實不是輻射。20 世紀初，科學家已經觀察到大氣有電離現象，但當時推斷是來自外太空極強穿透力的射線所造成，因而得到「宇宙射線」之名。後來研究才證實，這是高能量的次原子粒子，其中大部分是質子，它們以近乎光速穿梭。
在超高能量形態下，宇宙射線能量水平可超過 1 EeV（Exa electron Volt，相當於 1018 電子伏特，可中譯為「艾電子伏特」），相當於人造粒子加速器最大能量的 100 萬倍。要觀察到能量超過 100 EeV 的宇宙射線，本身就極之困難 —— 每個世紀，地球表面每平方公里，平均只會接收不足一個這樣的粒子。
至於今次發現的「天照粒子」能量達到 240 EeV，與最強宇宙射線「天啊粒子」（Oh-My-God particle）相當，後者發現於 1991 年，為人類至今所錄得最強宇宙射線，能量高達 320 EeV。今次觀察成果來自望遠鏡陣列計劃（Telescope Array），為設於猶他州的宇宙射線探測器，由美國、日本、韓國、俄羅斯與比利時研究機構合作建立，研究成果則發表於 11 月 24 日的「科學」期刊上。
來自沒有銀河的虛空區域
領導研究的大阪公立大學准教授藤井俊博（Toshihiro Fujii）強調，今次發現極其罕見，「這是望遠鏡陣列計劃實驗中，所能偵測到能量最高的帶電粒子」。自 2008 年起，研究團隊就持續追蹤宇宙射線，2021 年 5 月 27 日藤井進行常規數據檢查時，卻無意間發現奇特的訊號，表明探測器遭受過超高能量撞擊，但他起初曾經深表懷疑，「我原本以為可能是某種軟件錯誤或故障」。
其後，測量結果與超高能宇宙射線數據一致，日本團隊繼而把新發現稱為「天照粒子」，但當藤井與團隊嘗試尋找其來源時，竟然無從下手。不像低能量宇宙射線與地球磁場強烈的交互作用，超高能宇宙射線通常會平穩地穿越空間，以致科學家能夠以直線方式輕易尋找源頭位置，不論是來自某個恆星爆炸、黑洞還是其他銀河系。奇怪的是，在「天照粒子」來源方向上，藤井團隊發現一個沒有銀河存在的虛空區域，為填補所有可能的漏洞，研究員又在周邊區域尋找答案，但藤井表示：「甚麼都沒有。」
超越標準模型的物理學
如此一來，人類既發現「天照粒子」，又同時衍生更多未知，科學界正嘗試提出不同可能。藤井指出，其中一種可能是粒子由極度高能量現象所加速，如伽瑪射線暴（Gamma-ray burst），又或者某活躍星系核心有超大質量黑洞，正在吸食物質造成高速噴流。澳洲珀斯科廷大學天文學家 Clancy James 接受「自然」期刊訪問時，認為不能排除磁場令宇宙射線路徑的模型有誤，可能需要進行調整。
不過，最令科學界感興趣的其中一個答案，藤井認為可能是「超重暗物質衰變」的結果，如此一來，「天照粒子」便會是來自「超越標準模型的未知物理學」（from unknown physics beyond the Standard Model）。澳洲阿德萊德大學天體粒子物理學家 Jose Bellido Caceres 同樣推論，「天照粒子」可能由未知的物理過程產生，「這可能產生新的物理學」。
隨著計劃升級，研究人員預計將以四倍靈敏度的探測器，繼續對「天照粒子」進行研究。藤井對發現謎團雀躍萬分，「對於在科學領域找到有待解答的全新謎團，我個人感到非常興奮」，其答案有望開創天體物理學的新時代。
