[論文レビュー] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Cosmological Simulations for Dark Matter Physics

Arka Banerjee, Kimberly K. Boddy+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

このSnowmass2021白書は、次世代の宇宙論的シミュレーションプログラムを提唱し、JWST やルービン宇宙望遠鏡といった今後の施設からの観測を、ダークマター（DM）の素粒子物理学的モデルと結びつける。非標準的宇宙論、バリオン物理学、高度な数値アルゴリズムを統合することで、宇宙の時間とスケールにわたるDMの微視的物理学をシミュレートし、CDMパラダイムを超えたDMの制約を強固に可能にする。

ABSTRACT

Over the past several decades, unexpected astronomical discoveries have been fueling a new wave of particle model building and are inspiring the next generation of ever-more-sophisticated simulations to reveal the nature of Dark Matter (DM). This coincides with the advent of new observing facilities coming online, including JWST, the Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and CMB-S4. The time is now to build a novel simulation program to interpret observations so that we can identify novel signatures of DM microphysics across a large dynamic range of length scales and cosmic time. This white paper identifies the key elements that are needed for such a simulation program. We identify areas of growth on both the particle theory side as well as the simulation algorithm and implementation side, so that we can robustly simulate the cosmic evolution of DM for well-motivated models. We recommend that simulations include a fully calibrated and well-tested treatment of baryonic physics, and that outputs should connect with observations in the space of observables. We identify the tools and methods currently available to make predictions and the path forward for building more of these tools. A strong cosmic DM simulation program is key to translating cosmological observations to robust constraints on DM fundamental physics, and provides a connection to lab-based probes of DM physics.

研究の動機と目的

• JWST やるービン宇宙望遠鏡、CMB-S4 といった施設からの高精度な天文学的データを解釈するための高度な宇宙論的シミュレーションの増大する必要に応える。
• WIMPパラダイムを超えた素粒子物理学的モデルのダークマターと、観測可能な天体物理学的シグナルとの間のギャップを、シミュレーションによって埋める。
• シミュレーションが完全にキャリブレーションされたバリオン物理学を含めることで、観測測定と一致する現実的な予測を生み出す。
• DMパラメータの尤度に基づく制約を可能にする大規模アンサンブルの生成が可能な、スケーラブルで効率的なシミュレーションフレームワークを開発する。
• シミュレーター、素粒子物理学者、観測天文学者との協働パイプラインを確立し、シミュレーション出力を実際の観測量と一致させる。

提案手法

• 温暖、ふわふわ、自己相互作用、あるいは原始ブラックホールによるDMといった、新規の素粒子物理学的モデルのDMを、キャリブレーションされた微視的取り扱いを備えた宇宙論的シミュレーションコードに統合する。
• 非標準的宇宙論の歴史や非熱的DM成分を扱える堅牢な数値アルゴリズムを実装し、広い動的範囲にわたって安定性と正確性を確保する。
• 星形成、フィードバック、冷却を含む完全にキャリブレーションされたバリオン物理学を組み込み、シミュレーションが現実的な銀河およびハローの性質を反映するようにする。
• 観測天文学で用いられる一貫性のある測定プロトコルに従い、シミュレーション出力を観測可能な量（例：強引力レンズの収束、銀河の明るさ関数、準銀河分布）にマッピングする。
• 高性能コンピューティングを活用して大規模なアンサンブルの実現を生成し、統計的推論と尤度に基づくDMパラメータ制約を可能にする。
• 最初のDMハローおよび代替宇宙論における小スケール構造の形成をモデル化するため、小ボックスで高解像度のシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非標準的ダークマター微視的物理学のインプリントが、宇宙の時間にわたる物質パワーースペクトルおよびハロー質量関数にどのように強く予測できるか。
• RQ2 ダークマターの自己相互作用、ふわふわDM、または温暖DMが、銀河の準銀河構造および星の運動に及ぼす観測可能なシグナルは何か。
• RQ3 バリオン過程が、宇宙論的観測がダークマターモデルに敏感であるのをどのように変化させ、シミュレーションがこれらの効果をどのように考慮できるか。
• RQ4 高い動的範囲と正確性を備えた、代替ダークマターモデルの全パラメータ空間を効率的に探索するためのシミュレーション技術は何か。
• RQ5 観測データと直接比較可能なシミュレーション出力を、観測と一貫した観測量の定義を用いて得るにはどうすればよいか。

主な発見

• バリオン物理学を含むシミュレーションは、理論とデータの間の顕著な乖離を避けるために、観測シグナルの現実的な予測を生み出すために不可欠である。
• 非標準的宇宙論を組み込んだ大規模なDMのみのシミュレーションは、代替ダークマターモデルをテストするための有望な観測的ターゲットを特定するために不可欠である。
• 初期ハロー形成の小ボックスで高解像度のシミュレーションは、宇宙論的文脈におけるダークマターの微視的起源を調べる上で極めて重要である。
• 宇宙論的シミュレーション、今後の望遠鏡、そして実験室ベースのDM実験の相乗効果は、素粒子モデルをシミュレーションパラメータにマッピングする協調的なシミュレーションプログラムを通じて最大限に高められる。
• 理論と観測の間の系統的不一致を避けるために、シミュレーションにおける標準化された、観測と一貫した測定プロトコルが必要である。
• 尤度に基づくダークマターパラメータ制約を、マルチメッセンジャーデータを用いて可能にするために、スケーラブルで高スループットのシミュレーションインfraストラクチャが不可欠である。