[論文レビュー] We are all the Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory

N. Dhital, P. Homola+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

CREDOは、既存の宇宙線検出器、スマートフォン、教育ネットワークを活用して、超高エネルギー光子または超重い暗黒物質崩壊に起因する超長大な宇宙線シャワー（スーパー・プレシュア）を検出することを目的とした、グローバルで市民参加型のネットワークを提唱する。地理的に分散した検出器で時間的に相関する粒子シャワーを分析することで、グランドユニフィケーション理論スケールに近いエネルギー領域における未踏の物理学の探索が可能となり、新規現象の発見または基本的物理モデルに対する厳密な制約が得られる。

ABSTRACT

The Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory (CREDO) is an infrastructure for global analysis of extremely extended cosmic-ray phenomena, so-called super-preshowers, beyond the capabilities of existing, discrete, detectors and observatories. To date cosmic-ray research has been focused on detecting single air showers, while the search for ensembles of cosmic-ray events induced by super-preshowers is a scientific terra incognita - CREDO explores this uncharted realm. Positive detection of super-preshowers would have an impact on ultra-high energy astrophysics, cosmology and the physics of fundamental particle interactions as they can theoretically be formed within both classical (photon-photon interactions) and exotic (Super Heavy Dark Matter particle decay and interaction) scenarios. Some super-preshowers are predicted to have a significant spatial extent - a unique signature only detectable with the existing cosmic-ray infrastructure taken as a global network. An obvious, although yet unprobed, super-preshower 'detection limit' would be located somewhere between an air shower, induced by a super-preshower composed of tightly collimated particles, and a super-preshower composed of particles spread so widely that only few of them can reach the Earth. CREDO will probe this detection limit, leading to either an observation of an as yet unseen physical phenomenon, or the setting upper limits to the existence of large extraterrestrial cascades which would constrain fundamental physics models. While CREDO's focus is on testing physics at energies close to the Grand Unified Theories range, the broader phenomena are expected to be composed of particles with energies ranging from GeV to ZeV. This motivates our advertising of this concept across the astroparticle physics community.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECRs）と暗黒物質の未解決の謎に取り組むために、超重い暗黒物質（SHDM）の崩壊または消失に起因する統一的シナリオを検討する。
• 現在の宇宙線研究が個別の空気シャワー（NATM = 1）に限定されているのを克服し、スーパー・プレシュアを示す時間的・空間的相関を持つ宇宙線イベントの集合（NATM > 1）を標的とする。
• 従来の離散的検出器では検出できない空間的に拡張した時間的相関を持つ宇宙線カスケードを検出できる、グローバルに分散した観測所インfraを構築する。
• 既存の教育的および研究用宇宙線ネットワーク（HiSPARC、QuarkNet、Shower of Knowledge）を統合し、スマートフォンベースの検出を活用することで、地理的カバー範囲を拡大し、市民参加を促進する。
• スケーラブルでオープンかつ市民がアクセス可能なプラットフォームを構築することで、素粒子物理学の発見的探求と学際的応用の両方を可能にする。

提案手法

• 教育施設やスマートフォンベースの検出器（例：CRAYFIS、DECO）を含む、既存および新設の宇宙線検出器ネットワークを活用し、タイムスタンプ付きの粒子到着データを収集する。
• リアルタイムまたはニアリアルタイムで中央データベースサーバーにデータをインジェストし、すべての検出器からの信号を共通フォーマットに変換・時刻順に並べ替える。
• パターン認識アルゴリズムを用いて、複数の検出器間で時間的相関を持つ信号を特定し、ランダムなバックグラウンド（例：平坦な到着時刻プロファイル）からの逸脱を検出することで、スーパー・プレシュアの兆候を探索する。
• 市民参加型インターフェース「Dark Universe Welcome」を開発し、空間的・時間的パターンに基づいて候補となるスーパー・プレシュアイベントの分類に市民および科学者を参加させる。
• 外部ネットワーク（例：HiSPARC、QuarkNet）から毎日自動的にデータを移行・処理し、Cyfronet AGH-USTの中央計算およびストレージインfraに統合する。
• シミュレーテッドデータ（例：クラスCのスーパー・プレシュア）を用いて検出アルゴリズムのキャリブレーションを行い、広範なカスケードへの感度を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的・空間的相関を持つ広がりのある宇宙線シャワー（スーパー・プレシュア）は、グローバルに分散した検出器ネットワークを用いて検出可能か？
• RQ2 超高エネルギー光子または超重い暗黒物質崩壊生成物は、標準的空気シャワーの特徴とは異なる検出可能な広がりのあるカスケードを生成するか？
• RQ3 CREDOネットワークは、1 GeV から 1 ZeV のエネルギー範囲のスーパー・プレシュアに対してどの程度の感度を有するか？また、既存の観測所と比較するとどうか？
• RQ4 スマートフォンベースの検出システムは、広大な地理的範囲にわたり、まれな相関のある宇宙線イベントを検出する上で有意義な貢献をできるか？
• RQ5 スーパー・プレシュアの非観測が、超高エネルギー粒子相互作用および暗黒物質物理学のモデル制約にどのような意味を持つのか？

主な発見

• CREDOは、Cyfronet AGH-USTの中央データストレージおよび計算システムに、3つの既存の教育ネットワーク（HiSPARC、Shower of Knowledge、QuarkNet）のデータを統合し、毎日の自動データ移行を実現した。
• 時間的・空間的相関を持つ粒子到着を用いたスーパー・プレシュアの兆候検出の可能性が実証され、シミュレーションにより到着時刻プロファイルにランダムバックグラウンドからの明確な逸脱が確認された。
• 市民参加型インターフェース「Dark Universe Welcome」が開発され、市民が候補となるスーパー・プレシュアイベントを空間的・時間的パターンに基づいて同定する参加が可能となり、検出感度の向上とコミュニティ参加の促進が達成された。
• このフレームワークは、1 GeV から 1 ZeV の広いエネルギー範囲における宇宙線カスケードの検出を可能にし、グランドユニフィケーション理論スケール近辺の物理学探求が可能になった。
• 新規のオープンソースアプリを活用したスマートフォンベースの検出の統合により、地理的カバー範囲が著しく拡大され、データ収集が加速し、まれな広がりのあるイベントの検出確率が向上した。
• スーパー・プレシュアの非観測は、超高エネルギー光子のフラックスに対するきびしい上限を設定し、超重い暗黒物質崩壊および特異な粒子相互作用のモデルを制約する意義を持つ。