[論文レビュー] Status and Perspectives of Astroparticle Physics in Europe

Christian Spiering|DESY (CERN, DESY, Fermilab, IHEP, and SLAC)|Apr 9, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパにおける宇宙粒子物理学の戦略的ロードマップを提示し、CTA、KM3NeT、Auger-North、次世代のダークマターおよびニュートリノ実験といった大規模国際プロジェクトを提言することで、ダークマター、ニュートリノの性質、宇宙線、重力波に関する根本的問いに答えることを目的としている。本論文は、分野の感度と発見可能性を新たな水準へ引き上げるため、資金調達とインfra構築の連携を提唱している。

ABSTRACT

Astroparticle physics has evolved as an interdisciplinary field at the intersection of particle physics, astronomy and cosmology. Over the last two decades, it has moved from infancy to technological maturity and is now envisaging projects on the 100 Million Euro scale. This price tag requires international coordination, cooperation and convergence to a few flagship projects. The Roadmap Committee of ApPEC (Astroparticle Physics European Coordination) has recently released a roadmap covering the next ten years. This talk describes status and perspectives of astroparticle physics in Europe and reports the recommendations of the Roadmap Committee.

研究の動機と目的

• 今後10年間におけるヨーロッパの宇宙粒子物理学における、統合的かつ長期的な戦略的ビジョンを定義すること。
• 素粒子物理学および宇宙論における根本的問いに答えるために必要な、大規模かつ高インパクトな実験的プロジェクトを特定・優先順位付けすること。
• 統一されたロードマップを通じた各国の取り組みの調整により、国際的協力とリソースの効率的利用を確保すること。
• ダークマター、ニュートリノ、宇宙線検出における今後の感度向上に寄与する技術的イノベーションおよびR&Dを支援すること。
• フロントランナー研究プロジェクトと、より小規模だが革新的なイニシアチブを含む、資金調達およびインfra構築の枠組みを確立すること。

提案手法

• ApPECロードマップ委員会は、宇宙粒子物理学のすべての主要分野における現状と今後の可能性を包括的に分析した。
• 科学的インパクト、技術的成熟度、実現可能性に基づいてプロジェクトを評価し、国際的協力と1億ユーロ規模の投資を要するものに重点を置いた。
• ロードマップは3段階で構築された：段階I（物理学的根拠と現状評価）、段階II（スケジューリングと費用見積もり）、段階III（さまざまな資金調達シナリオ下での正確なマイルストーン計画立案および優先順位設定）。
• ダークマターの性質、ニュートリノ質量、陽子崩壊、宇宙線の起源といった未解決の問いを解消できる可能性を有するプロジェクトが選定された。
• 技術的イノベーションを継続的に促進するため、資金の20％を小規模なイニシアチブ、国際参加、R&Dに予約する戦略が含まれている。
• IceCube、LIGO、LISAなどの既存および計画中の国際的プロジェクトとの連携を強調し、相乗効果を生み、重複を避けることを重視した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙の基本的構成要素は何か。特にダークマターおよびダークエネルギーの性質は？
• RQ2 陽子は有限の寿命を持つのか。これは、グランドユニフィケーション理論に何を意味するか？
• RQ3 ニュートリノの質量および基本的性質は何か。特にマヨラナ性とは？
• RQ4 宇宙線の起源は何か。そして、それらは高エネルギー宇宙の構造にどのように寄与するか？
• RQ5 重力波検出は、激しい宇宙的プロセスおよび重力の性質に関するどのような知見を明らかにできるか？

主な発見

• ロードマップ委員会は、2か所（北半球および南半球）に位置するチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の建設を推奨し、プロトタイプは2011年に開始、建設は2012年に開始され、費用は1億5000万～1億7000万ユーロを見込む。
• 地中海に位置するキロメーター規模のニュートリノ望遠鏡であるKM3NeTは、IceCubeの補完として提案され、準備段階を経て建設を開始する予定で、費用は約2億ユーロ見込み。
• 高エネルギー宇宙線観測所であるAuger-Northは、アルゼンチンに位置するピエール＝アジャン観測所の補完として提案され、費用は約9000万ユーロ、うち欧州が45％を負担し、2010年または2011年に建設を計画。
• トンスケールの2つの大規模でバックグラウンドゼロのダークマター実験が推奨され、異なる標的素材と検出技術を用いる。合計費用は1億5000万～1億8000万ユーロ見込みで、2010–2011年までに決定が下される予定。
• 次世代の二重ベータ崩壊実験（GERDA、CUORE、Super-NEMO）が推奨され、100トン規模の実験は今後10年以内に決定される見込みで、費用は約1億5000万ユーロ、国際的協力が想定される。
• 陽子崩壊および低エネルギーニュートリノ天体物理学を対象とするメガトンスケールの検出器が提案され、費用は4億～6億ユーロの範囲を見込み、米国および日本を含むグローバルな協力が不可欠で、技術的意思決定は2012–2013年に予定。