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欧州地下希少事象カロリメーターアレイ（EURECA）は、極低温検出器と最大1トンの吸収体質量を使用する計画中の暗黒物質探索実験です。このプロジェクトはモダーヌ地下研究所に建設され、 CRESSTおよびEDELWEISS実験に取り組む研究者が集結します。[ 1 ] [ 2 ]
EURECAは、ヨーロッパにおける宇宙素粒子物理学実験のASPERAロードマップにおいて重要な位置を占めていた。[ 3 ]
暗黒物質は、現代科学における重要な未解決問題の一つです。天文学や宇宙論からは、宇宙や銀河の質量のかなりの割合が非発光物質で構成されているという証拠が数多く得られています。暗黒物質の性質は現在不明です。しかし、有力な仮説は、暗黒物質は弱相互作用性大質量粒子（WIMP）で構成されているというものです。WIMPは質量は大きいものの、通常の物質とは弱い核力でしか相互作用しないため、地球を通過する粒子の大部分は原子に衝突しません。EURECAのような暗黒物質探索実験の目的は、WIMPの暗黒物質相互作用を探索することでこの仮説を検証することです。WIMPは超対称性理論によって存在が予測されており、 10⁻¹⁰ pbまでの広範囲の散乱断面積が予測されています。これは、1トンの検出器で年間約1イベントの相互作用率に相当します。[ 4 ] CRESST やEDELWEISSなどの既存の実験では、より高い相互作用率は既に除外されていますが、EURECAはこの下限まで探索します。
極低温暗黒物質実験では、ミリケルビン温度で動作する粒子検出器を用いて、原子核のWIMP（弱く相互作用する粒子）の弾性散乱を探索します。吸収結晶内部での粒子相互作用によって多数のフォノンが生成され、これらのフォノンは結晶表面の温度計内で熱平衡状態に達し、温度上昇が記録されます。このような極低温検出器は、高い感度、低いエネルギー閾値、そして優れた分解能を兼ね備えているため、広く用いられています。
暗黒物質実験は地下深くの研究所で行われ、宇宙線による背景放射線レベルを低減するために広範囲にわたる遮蔽が用いられています。初期の実験では、検出器付近の放射性不純物による残留背景が制限されていました。そのため、CRESSTとEDELWEISSの第2フェーズでは、電子反跳事象と核反跳事象を区別できる新しい検出器が使用されました。電子反跳は、背景事象の大部分を占めるアルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ粒子によって生成されます。WIMP（および中性子）は核反跳を生成します。これは、電子反跳の方が核反跳よりもはるかに高い追加信号を測定することによって行われます。CRESST検出器は、CaWO 4またはZnWO 4吸収結晶で生成されるシンチレーション光を測定します。EDELWEISS検出器は、半導体ゲルマニウム結晶で生成される電離を測定します。
EURECAは、CRESSTとEDELWEISSが先駆的に開発した極低温検出器技術をさらに発展させ、多数の極低温検出器モジュールから構成される1トンの吸収体質量を構築します。この実験では、さまざまな検出器材料を使用する予定です。これにより、正の信号が暗黒物質によるものかどうかを示す方法が得られます。イベント発生率は標的原子核の原子質量に比例すると予想されるためです。一方、中性子によるイベント発生率は、より軽い原子核ほど高くなります。
EURECA共同研究グループには、CRESST、EDELWEISS、ROSEBUDといった暗黒物質実験の参加機関に加え、いくつかの新規メンバーが含まれています。それらは以下のとおりです。
この共同研究の広報担当者はジル・ジェルビエ氏です。実験は、フランスとイタリアを結ぶフレジュス道路トンネル内にあるモダーヌ地下実験室で行われます。ここはヨーロッパで最も深い地下実験室です。
EURECAの研究者たちは現在、CRESSTとEDELWEISSのデータ取得と分析に携わっています。さらに、検出器技術を1トン規模にスケールアップするための様々な研究開発活動も進行中です。これには以下が含まれます。