[論文レビュー] Report of the Topical Group on Particle Dark Matter for Snowmass 2021

J. Cooley, Lin, Tongyan+72 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 33

ひとこと要約

本報告は、直接検出・間接検出、衝突型プローブ、堅牢な発見を可能にする強力な較正を強調し、さまざまな質量スケールにわたる粒子暗黒物質を探索する多様で多角的な計画を提唱する。米国の長期的なリーダーシップと、実験と技術全体にわたる堅牢なR&Dの継続を求める。

ABSTRACT

This report summarizes the findings of the CF1 Topical Subgroup to Snowmass 2021, which was focused on particle dark matter. One of the most important scientific goals of the next decade is to reveal the nature of dark matter (DM). To accomplish this goal, we must delve deep, to cover high priority targets including weakly-interacting massive particles (WIMPs), and search wide, to explore as much motivated DM parameter space as possible. A diverse, continuous portfolio of experiments at large, medium, and small scales that includes both direct and indirect detection techniques maximizes the probability of discovering particle DM. Detailed calibrations and modeling of signal and background processes are required to make a convincing discovery. In the event that a candidate particle is found through different means, for example at a particle collider, the program described in this report is also essential to show that it is consistent with the actual cosmological DM. The US has a leading role in both direct and indirect detection dark matter experiments -- to maintain this leading role, it is imperative to continue funding major experiments and support a robust R\&D program.

研究の動機と目的

• eV から Planck スケールの質量にわたる、包括的で多スケールな粒子暗黒物質探索を推進する。
• 発見の機会を最大化するため、直接・間接・衝突型アプローチの多様なポートフォリオを提案する。
• 詳細な較正、背景モデリング、実験間の検証の重要な役割を強調する。
• 次世代暗黒物質実験のための米国の継続的なリーダーシップとR&D資金提供を提唱する。

提案手法

• 質量範囲（軽量、重量、超重量）全体にわたる粒子暗黒物質候補と観測戦略の全体像を概説する。
• さまざまな検出器スケールを活用した直接検出、間接検出、衝突型アプローチの広範なプログラムを推奨する。
• 堅牢な発見主張のための、正確な信号・背景モデリング、較正、シミュレーションの重要性を強調する。
• 信号を相互検証し背景を制約するための、多元観測・多波長解析を提唱する。
• 次世代実験を可能にする技術開発と地下施設の役割について論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近期および今後、どの質量範囲と相互作用型が粒子暗黒物質の発見ポテンシャルを最も高めるか？
• RQ2 直接・間接・衝突型の探索をどう連携させ、一貫性があり相互検証可能なDM候補の証拠を提供できるか？
• RQ3 実験間で堅牢な発見を達成するために、どのような較正・背景理解・モデリングの進展が必要か？
• RQ4 小規模・中規模・大規模実験を含む多様なDMプログラムを、米国のリーダーシップと資金提供によってどのように維持できるか？
• RQ5 DM信号を制約・確認するために、マルチメッセージ観測を活用する最良の戦略は何か？

主な発見

• スケールと検出モダリティを横断する多様で連続的な実験ポートフォリオは、発見の確率を最大化する。
• 信号と背景の正確な較正・モデリングは、潜在的なDM信号を確認・検証するのに不可欠である。
• 間接検出は広い質量範囲とマルチメッセージ信号へのアクセスを提供し、堅牢な背景理解と他の探査手段との相関が必要である。
• 直接検出と間接/衝突型探査は、熱的残存・非熱的履歴を含むDMシナリオを検証する補完的な経路を提供する。
• DM探索における全球的な進展を維持するには、米国の継続的なリーダーシップと堅牢なR&Dプログラムが不可欠である。