[論文レビュー] SETI at Planck Energy: When Particle Physicists Become Cosmic Engineers

Brian C. Lacki|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Space Science and Extraterrestrial Life参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、プランクスケールの物理学を調べられる高度な extraterrestrial 文明が、宇宙規模の加速器を構築する可能性があると提案している。その加速器は、高エネルギーニュートリノ放射によって検出可能である。このような「YeV ニュートリノ」信号は極めてまれであるが、大規模な検出器を用いて探索可能であり、検出されないということは宇宙工学的技術が極めて稀であることを示唆する。これは、より広範な天体物理学的意義を持つ、新しい共通利用型のSETI手法である。

ABSTRACT

What is the meaning of the Fermi Paradox -- are we alone or is starfaring rare? Can general relativity be united with quantum mechanics? The searches for answers to these questions could intersect. It is known that an accelerator capable of energizing particles to the Planck scale requires cosmic proportions. The energy required to run a Planck accelerator is also cosmic, of order 100 M_sun c^2 for a hadron collider, because the natural cross section for Planck physics is so tiny. If aliens are interested in fundamental physics, they could resort to cosmic engineering for their experiments. These colliders are detectable through the vast amount of "pollution" they produce, motivating a YeV SETI program. I investigate what kinds of radiation they would emit in a fireball scenario, and the feasibility of detecting YeV radiation at Earth, particularly YeV neutrinos. Although current limits on YeV neutrinos are weak, Kardashev 3 YeV neutrino sources appear to be at least 30--100 Mpc apart on average, if they are long-lived and emit isotropically. I consider the feasibility of much larger YeV neutrino detectors, including an acoustic detection experiment that spans all of Earth's oceans, and instrumenting the entire Kuiper Belt. Any detection of YeV neutrinos implies an extraordinary phenomenon at work, whether artificial and natural. Searches for YeV neutrinos from any source are naturally commensal, so a YeV neutrino SETI program has value beyond SETI itself, particularly in limiting topological defects. I note that the Universe is very faint in all kinds of nonthermal radiation, indicating that cosmic engineering is extremely rare.

研究の動機と目的

• 高度な文明がプランクスケールの粒子加速器を宇宙工学的プロジェクトとして構築するという仮説を検討すること。
• 特に 10^18 eV（YeV）スケールでの高エネルギーニュートリノ放射を通じて、その加速器の検出可能性を評価すること。
• 大規模ニュートリノ検出器（例：地球の海洋やコイパーベルトに設置された機器）が、これらの信号を検出可能かどうかを評価すること。
• YeV ニュートリノの非検出が、宇宙工学的技術が極めて稀であることを示し、カルダシェフ Type III 文明に関する制約を提示すること。
• YeV ニュートリノ SETI を、トポロジカル欠陥などの奇妙な天体物理学的現象の制限にもつながる共通利用型プログラムとして位置づけること。

提案手法

• プランクスケールのハドロン衝突加速器が発するフレアボール放射をモデル化し、ニュートリノ放射スペクトルと全放射光度を推定する。
• プランクスケール加速器に必要なエネルギー入力を約 100 太陽質量分の静止エネルギー（100 M☉c²）と推定し、カルダシェフ Type III のエネルギー規模であると示す。
• 等方的放射モデルを適用して、長寿命な YeV ニュートリノ源の平均空間的分離を推定し、平均して約 30–100 Mpc であると判明。
• 大容量ニュートリノ望遠鏡（地球の海洋を横断する音響検出や、コイパーベルトへの機器設置を含む）を用いた検出可能性を評価する。
• 電磁波および粒子スペクトル全体における背景放射レベルを比較し、非熱的放射が極めて弱いことを示す。
• 高エネルギーニュートリノ源（人工的でないものも含む）の天体物理学的妥当性を評価する基準として、Waxman-Bahcall 界限を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高度な文明が構築したプランクスケール粒子加速器が、検出可能な高エネルギーニュートリノ信号を発する可能性はあるか？
• RQ2 もし長寿命で等方的放射を行う場合、その YeV ニュートリノ源の空間的分布と全放射光度はどのようになるか？
• RQ3 これらのまれな信号を実際に検出できる可能性を持つためには、どの程度の大規模なニュートリノ検出器が必要か？
• RQ4 非熱的放射の検出不能な事実から、宇宙工学的技術やカルダシェフ Type III 文明に関するどのような制約が得られるか？
• RQ5 YeV ニュートリノ SETI プログラムが、奇妙な現象の制限という点で、より広範な天体物理学研究とどのように共通利用型となるか？

主な発見

• プランクスケールのハドロン衝突加速器には、約 100 M☉c² のエネルギー入力が必要であり、これはカルダシェフ Type III のエネルギー規模のプロジェクトである。
• YeV ニュートリノ源が長寿命で等方的放射を行うと仮定した場合、現在の非検出限界に基づき、平均して 30–100 Mpc の間隔で分離していると推定される。
• 電波、ガンマ線、ニュートリノ帯域における銀河間非熱的背景の微弱さは、宇宙工学的技術が極めて稀であることを示唆する。
• 現在の YeV ニュートリノの限界は弱いが、将来的に大規模な検出器（例：地球の海洋をカバーする音響アレイ）を用いれば、検出が可能になる可能性がある。
• YeV ニュートリノが検出されれば、人工的（例：異星の加速器）であれ自然的（例：トポロジカル欠陥）であれ、極めて特異な天体物理学的現象を示す。
• YeV ニュートリノ SETI は本質的に共通利用型である：高エネルギーニュートリノの観測は、すべての観測が潜在的な SETI 観測に繋がる。これにより、粒子物理学および天体物理学の広範な分野と結びつく。