[論文レビュー] Snowmass 2021 White Paper: Cosmogenic Dark Matter and Exotic Particle Searches in Neutrino Experiments

J. Berger, D. Brailsford+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

このSnowmass 2021白書は、キロトンスケールのニュートリノ検出器—特に水チェレンコフ検出器、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーズ（LArTPCs）、およびロングストリング水チェレンコフ検出器—が、宇宙線起源のダークマターおよびブーストド ダークマター、ダーク宇宙線、axion-like粒子などの奇妙な粒子を探索する強力で補完的な手法を提供すると提言している。本稿は、これらの検出器が、直接検出や加速器実験ではカバーできない、これまで未踏のパラメータ空間を探索可能であることを示しており、特に低フラックスで高エネルギー損失を示すMeV–TeVスケールの信号に対して、高度な解析戦略と検出器技術を活用することで、直接検出や加速器実験を凌駕する感度を実現できることを示している。

ABSTRACT

The signals from outer space and their detection have been playing an important role in particle physics, especially in discoveries of and searches for physics beyond the Standard Model (BSM); beyond the evidence of dark matter (DM), for example, the neutrinos produced from the dark matter annihilation is important for the indirect DM searches. Moreover, a wide range of new, well-motivated physics models and dark-sector scenarios have been proposed in the last decade, predicting cosmogenic signals complementary to those in the conventional direct detection of particle-like dark matter. Most notably, various mechanisms to produce (semi-)relativistic DM particles in the present universe (e.g. boosted dark matter) have been put forward, while being consistent with current observational and experimental constraints on DM. The resulting signals often have less intense and more energetic fluxes, to which underground, kiloton-scale neutrino detectors can be readily sensitive. In addition, the scattering of slow-moving DM can give rise to a sizable energy deposit if the underlying dark-sector model allows for a large mass difference between the initial and final state particles, and the neutrino experiments with large volume detectors are well suited for exploring these opportunities. This White Paper is devoted to discussing the scientific importance of the cosmogenic dark matter and exotic particle searches, not only overviewing the recent efforts in both the theory and the experiment communities but also providing future perspectives and directions on this research branch. A landscape of technologies used in neutrino detectors and their complementarity is discussed, and the current and developing analysis strategies are outlined.

研究の動機と目的

• 既存および将来のニュートリノ検出器が、ダークマターおよび奇妙な粒子からの宇宙線起源信号を探索する可能性を評価すること。
• 直接検出実験ではカバーできない、ブーストド ダークマター、ダーク宇宙線、および低速移動ダークマターなどの非伝統的ダークマター信号を特定・特徴づけること。
• 水チェレンコフ、LArTPCsなど異なる技術を有するニュートリノ検出器の相補性が、多様なダークセクター・モデルを探索する上で果たす役割を明らかにすること。
• 感度を最大化するための強化された解析戦略—イベントシミュレーション、トリガリング、再構築、バックグラウンドモデリング—を提言すること。
• 理論コミュニティと実験コミュニティの協力を促進し、結果の解釈と将来の実験設計の指針を示すこと。

提案手法

• 宇宙線起源の信号を予測するダークセクター・モデルの包括的フェノメノロジカルサーベイを実施し、ダークマター誘導ニュートリノ、半崩壊または宇宙線衝突によるブーストド ダークマター、爆発的低速移動ダークマターを含む。
• 質量、エネルギー閾値、時間分解能、粒子識別能力に基づき、水チェレンコフ検出器、ロングストリング水チェレンコフ検出器、シンチレーション検出器、LArTPCsの異なるニュートリノ検出器技術の感度を評価する。
• オンオフ法、信号＋バックグラウンドフィッティング、不確実性評価を伴うバックグラウンドモデリングなどの高度な解析技術を適用し、支配的である宇宙背景ニュートリノのバックグラウンドから微弱な宇宙線起源信号を抽出する。
• 詳細なイベントジェネレータと検出器応答モデルを用いて信号およびバックグラウンドイベントをシミュレートし、MeVからTeVの広いエネルギー範囲における感度を予測する。
• 珍しい高エネルギー事象を捉えるために、リアルタイムデータ処理および革新的なトリガリングシステムの重要性を強調する。
• 統計的パワーを高め、超新星ニュートリノ検出に類似したマルチメッセンジャーアストロノミーを可能にするために、協働的でマルチ実験のデータ統合プロトコルを提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キロトンスケールのニュートリノ検出器は、低フラックスと高いバックグラウンドにもかかわらず、銀河中心や太陽からのブーストド ダークマター、またはダーク宇宙線のような宇宙線起源のダークマター信号を検出可能か？
• RQ2 水チェレンコフ、LArTPCs、ロングストリングシステムといった異なる検出器技術は、ダークセクター・パラメータ空間の異なる領域をどのように補完し合うか？
• RQ3 支配的である宇宙背景ニュートリノのバックグラウンドがある中で、奇妙な粒子からの珍しい高エネルギー信号を特定するのに最も効果的な解析戦略は何か？
• RQ4 既存および将来のニュートリノ実験は、特に低速移動または自己破壊するダークマターからのMeVスケールの信号に対して、どのように感度を向上させられるか？
• RQ5 協働的なデータ共有およびクロス実験解析は、宇宙線起源のBSM信号の確認または否定にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 水チェレンコフ検出器は、大質量、ナノ秒スケールの時間分解能、MeVレベルのエネルギー閾値のおかげで、銀河中心および太陽からのブーストド ダークマターに対して現在最も厳しい制限を設定している。
• ロングストリング水チェレンコフ検出器は、特に高エネルギーの奇妙な粒子崩壊や相互作用からのTeVスケールの宇宙線起源信号を検出するのに特に適している。
• 液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーズ（LArTPCs）は、数十MeVの運動エネルギーを持つ陽子を検出でき、やや重い核を用いることから、ハドロン的ブーストド ダークマターに対して感度が向上している。
• 低速移動ダークマターの散乱は、ダークセクターに大きな質量スプリングが許容される場合、顕著なエネルギー損失を生じさせる可能性があり、そのような探索にはニュートリノ検出器が最も適している。
• 既存のニュートリノ実験は、すでにダークマター・モデルに対する新たな制限を発表しており、宇宙線起源信号探索の実現可能性と感度の高さを示している。
• 本稿は、協働的でマルチ検出器・マルチ実験のアプローチ—特にデータ統合プロトコルを含む—が、宇宙線起源のBSM信号の確認およびマルチメッセンジャーアストロノミーの発展に不可欠であると確立している。