[論文レビュー] Snowmass2021 Cosmic Frontier Dark Matter Direct Detection to the Neutrino Fog

D. S. Akerib, P. B. Cushman+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 43

ひとこと要約

本論文はGeV–TeV領域での直接暗黒物質検出の将来展望を概説し、ニュートリノ霧を定義し、霧を超える探索を目指すGeneration 3の目標と研究開発を概説する。

ABSTRACT

We present a summary of future prospects for direct detection of dark matter within the GeV/c2 to TeV/c2 mass range. This is paired with a new definition of the neutrino fog in order to better quantify the rate of diminishing returns on sensitivity due to irreducible neutrino backgrounds. A survey of dark matter candidates predicted to fall within this mass range demonstrates that fully testing multiple well-motivated theo-ries will require expanding the currently-funded generation of experiments down to and past the neutrino fog. We end with the status and plans for next-generation exper-iments and novel R&D concepts which will get us there.

研究の動機と目的

• GeV–TeV質量範囲における暗黒物質探索を促進し、不可避なニュートリノ背景が感度の増大に与える影響を評価する。
• CEνNSバックグラウンドによる露光量の減少によるリターンの低下を定量化するためにニュートリノ霧を定義する。
• ニュートリノ霧領域に近づく理論的に動機づけられた暗黒物質候補を探索する。
• ニュートリノ霧を超え、複数の理論を検証するためのGeneration 3実験プログラムと新規研究開発を推奨する。

提案手法

• 露光勾配指数nを用いてニュートリノ霧を定量化する。nはn = - (d log σ / d log MT)^-1を、3σの発見の中央値の断面積として定義する。
• 太陽8B、大気、およびDSNBニューロノからのニュートリノ背景を比較し、特にSI相互作用に対してWIMP信号とスペクトルが似ていることを示す。
• 可視部門またはダークセクターとして暗黒物質モデルを見直し分類し、予測される断面積をニュートリノ霧レベルに対応づけてマッピングする。
• 霧に近づく能力と限界を評価する。既存および計画中の検出器、特に液体キセノンと液体アルゴンTPC技術の能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ背景制約の下でGeV–TeV質量範囲におけるGeneration-2実験の現状と予測到達範囲はどこか？
• RQ2 ニュートリノ霧が、異なる検出技術の露光量と断面感度のスケーリングにどう影響するか。
• RQ3 ニュートリノ霧付近またはそれ以下の断面積を予測する暗黒物質モデルはどれか、今後の実験はどのように識別・検証できるか。
• RQ4 ニュートリノ霧を超え、発見ポテンシャルを実現するために必要な新技術や戦略は何か。
• RQ5 ニュートリノ背景を緩和する上で、方向性検出や代替ターゲットの役割は何か。

主な発見

• Generation-2実験は、現在の露光量ではGeV–TeV範囲の十分に動機づけられた候補の大半を完全には検証できない。
• おおよそ1桁大きい露光量の実験群は、いくつかの候補を完全に検証できる可能性があり、独自モデルを探るためにスピン依存性探索を含めるべきである。
• 新規技術と研究開発は、背景を改善し、ニュートリノ霧近傍の補完的なパラメータ空間へアクセスするために不可欠である。
• 露光量が増えても、ニュートリノフラックスの不確実性が残る限り大幅なパラメータ空間は依然アクセス不能だが、これらの不確実性を低減できれば新しい発見領域が開く。
• 方向性検出器と大質量・低背景アプローチ、MPGDリードアウトを備えたガスTPCを約10 m^3規模とするものを含め、ニュートリノ霧を回避する道を提供する。