[論文レビュー] Snowmass2021 Cosmic Frontier: The landscape of cosmic-ray and high-energy photon probes of particle dark matter

T. Aramaki, M. Boezio+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

このSnowmass2021ホワイトペーパーは、粒子的ダークマターに感応する現在および将来の宇宙線および高エネルギー光子実験の状況をレビューし、GeV–TeVガンマ線、MeV–keVX線、および宇宙線反粒子に焦点を当てる。主な実験的フロンティアとして、AMBERやALICE、LHCbのアップグレードなど近い将来のミッションを特定し、解釈における不確実性を低減するため、衝突機における低エネルギー断面積測定の重要性を強調する。

ABSTRACT

This white paper discusses the current landscape and prospects for experiments sensitive to particle dark matter processes producing photons and cosmic rays. Much of the gamma-ray sky remains unexplored on a level of sensitivity that would enable the discovery of a dark matter signal. Currently operating GeV-TeV observatories, such as Fermi-LAT, atmospheric Cherenkov telescopes, and water Cherenkov detector arrays continue to target several promising dark matter-rich environments within and beyond the Galaxy. Soon, several new experiments will continue to explore, with increased sensitivity, especially extended targets in the sky. This paper reviews the several near-term and longer-term plans for gamma-ray observatories, from MeV energies up to hundreds of TeV. Similarly, the X-ray sky has been and continues to be monitored by decade-old observatories. Upcoming telescopes will further bolster searches and allow new discovery space for lines from, e.g., sterile neutrinos and axion-photon conversion. Furthermore, this overview discusses currently operating cosmic-ray probes and the landscape of future experiments that will clarify existing persistent anomalies in cosmic radiation and spearhead possible new discoveries. Finally, the article closes with a discussion of necessary cross section measurements that need to be conducted at colliders to reduce substantial uncertainties in interpreting photon and cosmic-ray measurements in space.

研究の動機と目的

• GeVからTeVにわたる広い質量範囲における粒子的ダークマターに対する現在および近い将来のガンマ線および宇宙線実験の感度を評価すること。
• 銀河のハロー、ミルキーウェイの中心、および矮星銀河といったダークマター信号がガンマ線および宇宙線の印跡によって検出可能となる主要な天体的ターゲットを特定すること。
• 二次的宇宙線背景のモデリングにおける不確実性を低減するため、衝突実験から得られる低エネルギーハドロン断面積の改善が果たす重要な役割を強調すること。
• AMBER、ALICE、LHCb、および将来のX線およびガンマ線ミッションといった次世代の観測施設が、線スペクトル、連続スペクトル、反粒子を介してダークマターを検出する可能性を評価すること。
• 潜在的なダークマター信号の解釈を強固にするために、天文学的観測と衝突機物理学の間の連携を推進すること。

提案手法

• Fermi-LAT、大気チェレンコフ望遠鏡、水チェレンコフアレイ、および近い将来の宇宙望遠鏡を含む、既存および計画中のガンマ線、X線、宇宙線実験の体系的レビュー。
• ガンマ線および宇宙線チャネルを通じたダークマターの対消滅および崩壊信号に対する、さまざまな質量スケール（軽量、重い、超重いダークマター）におけるこれらの機器の感度の評価。
• 反プロトン、反ジルコン、ヘリウム3の反粒子生成といった、素粒子反応断面積の役割が、予想される天体的背景および信号解釈に与える影響の分析。
• NA61/SHINEおよびAMBERといった固定標的に基づく実験からのデータ統合。これらは低中心質量系エネルギーでのハドロン相互作用を測定し、宇宙線生成モデルを制約する。
• LHCベースの実験（ALICE、LHCb）を用いて、$p$–$p$および$p$–Pb衝突における反核子生成断面積を測定し、宇宙線伝播モデリングへの直接的応用。
• 反バーナムの崩壊およびフォワード領域での生成測定結果を統合し、宇宙線中の反ジルコンおよびヘリウム3フラックスに及ぼす二次的過程の寄与を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeVからTeVにわたる質量範囲における現在および近い将来のガンマ線および宇宙線実験が、粒子的ダークマターに対してどの程度感度を持つのか。
• RQ2 反プロトンおよび反核子の低エネルギーハドロン断面積の不確実性が、宇宙線およびガンマ線データにおける天体的信号の解釈をどの程度制限するのか。
• RQ3 AMBERやアップグレードされたALICEおよびLHCbといった近い将来の衝突実験が、これらの不確実性をどの程度低減でき、ダークマターモデルの予測力の向上に寄与するのか。
• RQ4 高エネルギー光子および宇宙線を介してダークマターを検出するための最も有望な天体的ターゲットは何か。また、異なるダークマターモデルにおける予想される信号はどのように比較されるか。
• RQ5 将来のX線およびMeVガンマ線ミッションが、単色スペクトルまたはaxion-like粒子の変換を介してダークマターの発見可能性をどの程度向上させるか。

主な発見

• Fermi-LATや大気チェレンコフ望遠鏡といった現在のGeV–TeVガンマ線観測機器は、銀河のハローおよび矮星銀河におけるダークマターを継続的に探査しているが、背景の不確実性によって感度が制限されている。
• AMBERやアップグレードされたALICEおよびLHCbといった近い将来のミッションは、<7 GeVの低中心質量系エネルギーでのハドロン相互作用を測定することで、反ジルコンおよびヘリウム3生成断面積の不確実性を低減し、信号と背景の区別を向上させると期待される。
• NA61/SHINEが$p$–$p$、$p$–C、および$A$–$A$衝突で得た測定データは、宇宙線伝播モデルの調整および臨界領域における凝集モデルと熱的モデルの検証に不可欠な情報である。
• ALICEはすでに検出器材料における反核子の衝突断面積を発表しており、これにより宇宙反ジルコンフラックスの予測が更新され、モデルの不確実性が低減された。
• LHCbは、非常にフォワード領域（$2 < \eta < 5$）における反ジルコン生成を測定する点で独自の立場を占めており、即時の生成および重いフレーバーの崩壊寄与が反ジルコンフラックスに与える影響をアクセス可能にする可能性を有する。
• 宇宙線モデルに$\bar{\Lambda}_b$の崩壊をヘリウム3の供給源として組み込むと、予想されるフラックスが顕著に増加し、将来のヘリウム3反粒子検出器の発見可能性が向上する可能性がある。