[論文レビュー] Probing the Fundamental Nature of Dark Matter with the Large Synoptic Survey Telescope

A. Drlica-Wagner, Yao-Yuan Mao+98 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、大型スコポピック調査望遠鏡（LSST）が、超微弱矮星族銀河、星の流、強引力レンズ系、および微小レンズ効果を観測することで、暗黒物質の根本的性質を解明できることを提唱している。LSSTの深さ、広域、時間領域にわたる調査により、暗黒物質ハローの性質、自己相互作用、コンパクト天体の割合についての正確な測定が可能となり、自己相互作用型暗黒物質、温かい暗黒物質、アクシオン様粒子、原始ブラックホールといったモデルが、多様な質量スケールで、かつ前例のない感度で検証可能となる。

ABSTRACT

Astrophysical and cosmological observations currently provide the only robust, empirical measurements of dark matter. Future observations with Large Synoptic Survey Telescope (LSST) will provide necessary guidance for the experimental dark matter program. This white paper represents a community effort to summarize the science case for studying the fundamental physics of dark matter with LSST. We discuss how LSST will inform our understanding of the fundamental properties of dark matter, such as particle mass, self-interaction strength, non-gravitational couplings to the Standard Model, and compact object abundances. Additionally, we discuss the ways that LSST will complement other experiments to strengthen our understanding of the fundamental characteristics of dark matter. More information on the LSST dark matter effort can be found at https://lsstdarkmatter.github.io/ .

研究の動機と目的

• 高エネルギー実験では到達できない領域における、暗黒物質の根本的性質を解明するためのLSSTの基盤的役割を確立すること。
• LSST科学共同研究団体が散在している暗黒物質研究を統合し、統一的でコミュニティ主導の科学的根拠を構築すること。
• 地上実験では検証できない暗黒物質モデルを、天体物理学的観測によって制限すること。
• 矮星銀河および銀河団における暗黒物質ハローの性質を精密に測定し、自己相互作用や隠れたセクターのモデルを検証すること。
• 粒子加速器や地下検出器では到達できないパラメータ空間を、直接検出および間接検出実験の補完として探査すること。

提案手法

• LSSTの深さ、広域、複数エポックの光学画像を活用し、銀河の衛星天体における最小の暗黒物質ハローを検出・特徴づける。
• 矮星銀河および銀河団における暗黒物質ハローの形状と密度を測定し、自己相互作用およびダークフォトンモデルを検証する。
• 高頻度の微小レンズ調査を実施し、原始ブラックホールを検出するとともに、広い質量範囲にわたるコンパクト天体の割合を制限する。
• 星族のデータを分析し、異常なエネルギー損失を検出し、アクシオン様粒子と光子・電子との結合定数を制限する。
• 高精度な大規模構造マッピングにより、暗黒物質および暗黒エネルギーの空間的影響を解明し、暗黒セクター成分間の相関関係を探索する。
• LSSTのデータを直接検出、間接検出、素粒子物理学実験の結果と統合し、暗黒物質とバリオンの散乱、自己消失、崩壊を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小で検出可能な暗黒物質ハローから制限される、超軽量暗黒物質および熱的温かい暗黒物質の最小質量スケールは何か？
• RQ2 矮星銀河における暗黒物質ハローが、冷たい暗黒物質の予測からどれほど逸脱しているか。これは、自己相互作用や隠れたセクター結合の兆候である。
• RQ3 LSST調査全体にわたる微小レンズ光曲線を用いて、原始ブラックホールが暗黒物質に占める割合は何か？
• RQ4 光子および電子と結合するアクシオン様粒子が、星族の測定から推定される星のエネルギー損失にどのように影響を与えるか？
• RQ5 LSSTの宇宙論的調査によって、大スケールで暗黒物質と暗黒エネルギーの空間的分布に観測可能な相関関係が確認できるか？

主な発見

• LSSTは、銀河の衛星天体における最小の解像可能な暗黒物質ハローの観測を通じて、超軽量暗黒物質および熱的温かい暗黒物質の最小質量スケールを解明する。
• 矮星銀河における暗黒物質ハローの形状および密度の正確な測定により、自己相互作用および隠れたセクターモデル（ダークフォトンの状況を含む）が制限される。
• LSSTによる微小レンズ調査は、原始ブラックホールを検出し、広い質量範囲にわたって、それらが暗黒物質に占める寄与を0.01％レベルで制限する。
• 星族の測定により、異常なエネルギー損失を検出し、アクシオン様粒子と光子・電子との結合定数に制限を課す。
• 高精度な大規模構造マッピングにより、暗黒物質および暗黒エネルギーの空間的影響が解明され、暗黒セクター成分間の相関関係の探索が可能になる。
• LSSTの補完的戦略により、高エネルギー物理学プログラムの到達範囲を拡張し、現在の加速器および直接検出感度を超える暗黒物質パラメータ空間を探索可能となる。