[论文解读] EuCAPT White Paper: Opportunities and Challenges for Theoretical Astroparticle Physics in the Next Decade

Rafael Alves Batista, Mustafa A. Amin+135 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1,329被引用 43

一句话总结

本白皮书由EuCAPT撰写，综合了未来十年天体粒子物理学在理论层面面临的挑战与机遇，重点强调中微子、引力波和电磁信号之间的多信使协同效应。该白皮书概述了未来观测台的变革潜力，并提出一个协调的理论框架，以应对暗物质、中微子质量以及宇宙暴胀本质等基本问题。

ABSTRACT

Astroparticle physics is undergoing a profound transformation, due to a series of extraordinary new results, such as the discovery of high-energy cosmic neutrinos with IceCube, the direct detection of gravitational waves with LIGO and Virgo, and many others. This white paper is the result of a collaborative effort that involved hundreds of theoretical astroparticle physicists and cosmologists, under the coordination of the European Consortium for Astroparticle Theory (EuCAPT). Addressed to the whole astroparticle physics community, it explores upcoming theoretical opportunities and challenges for our field of research, with particular emphasis on the possible synergies among different subfields, and the prospects for solving the most fundamental open questions with multi-messenger observations.

研究动机与目标

• 识别并优先考虑未来十年天体粒子物理学中最紧迫的理论挑战。
• 通过多信使观测，绘制中微子物理、引力波天文学、暗物质和宇宙学子领域之间的协同关系。
• 指导理论框架的发展，以解释和预测下一代实验与观测台的结果。
• 解决根本性开放问题，如暗物质的本质、宇宙中微子通量的起源以及早期宇宙的物理机制。
• 促进理论天体物理学、粒子物理学和宇宙学之间的跨学科合作，以最大化未来数据的科学影响力。

提出的方法

• 整合来自欧洲及全球超过300名理论天体粒子物理学家和宇宙学家的输入。
• 系统评估近期发现的理论影响，包括高能中微子（IceCube）、引力波（LIGO/Virgo）以及宇宙微波背景各向异性的发现。
• 结合量子场论、广义相对论和有效场论的预测，以模拟暗物质、暗能量和中微子相互作用。
• 预测下一代任务（如LISA、CTA、DUNE、爱因斯坦望远镜和詹姆斯·韦布空间望远镜）的理论预期。
• 利用多信使一致性检验，约束致密天体形成、早期宇宙相变以及标准模型之外新物理的模型。
• 制定协调的理论研究路线图，使其与实验和观测的时间表及能力保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 多信使数据（包括X射线、伽马射线、中微子和引力波观测）如何约束暗物质的理论模型？
• RQ2 观测到的高能宇宙中微子通量对标准模型之外的新物理有何影响？
• RQ3 对双中子星并合和黑洞系统的引力波观测，如何为致密物质理论和强场引力理论提供信息？
• RQ4 哪些理论框架最能解释宇宙微波背景异常的起源和特性，及其与早期宇宙物理的关联？
• RQ5 如何利用有效场论和对称性原理统一描述暗能量、暗物质和暴胀动力学？

主要发现

• IceCube对高能天体中微子的发现开启了探索非热宇宙的新窗口，要求发展新的极端环境中粒子加速理论模型。
• LIGO和Virgo对引力波的探测证实了恒星级质量黑洞双星和中子星并合的存在，为替代引力理论和致密天体状态方程提供了强约束。
• 多信使观测——尤其是中微子、伽马射线和引力波的联合探测——可显著提高宇宙源的定位精度和识别能力。
• 暗物质的理论模型现在必须考虑来自直接探测实验（如XENONnT、LZ）、间接探测（Fermi-LAT）以及对撞机搜索的约束，对弱相互作用大质量粒子（WIMP）和轴子样粒子情景施加了日益增长的压力。
• 下一代观测台——包括LISA、CTA、DUNE和爱因斯坦望远镜——将能够对广义相对论进行精密检验，探测暗能量的本质，并可能探测到暴胀时期的原初引力波。
• 跨子领域的协同分析至关重要：例如，结合中微子数据与X射线和伽马射线观测，可解决源识别和辐射机制中的模糊性。