[論文レビュー] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Ultraheavy particle dark matter

Daniel Carney, Nirmal Raj+26 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 198被引用数 6

ひとこと要約

このSnowmass 2021宇宙フォアグラウンド白書は、10 TeV からプランクスケール（約10^16 TeV）の質量を有する超重い暗黒物質（UHDM）候補の包括的探索を提案しており、これはほとんど未踏のパラメータースペースである。直接的・間接的検出を用いた革新的な検出戦略を提示し、液体希ガス検出器、ニュートリノ観測所、量子センサーといった次世代検出器の可能性を強調するとともに、この領域を探索するにあたり、新たな理論的モデルと実験的手法の必要性を指摘している。

ABSTRACT

We outline the unique opportunities and challenges in the search for 'ultraheavy' dark matter candidates with masses between roughly $10~{ m TeV}$ and the Planck scale $m_{ m pl} \approx 10^{16}~{ m TeV}$. This mass range presents a wide and relatively unexplored dark matter parameter space, with a rich space of possible models and cosmic histories. We emphasize that both current detectors and new, targeted search techniques, via both direct and indirect detection, are poised to contribute to searches for ultraheavy particle dark matter in the coming decade. We highlight the need for new developments in this space, including new analyses of current and imminent direct and indirect experiments targeting ultraheavy dark matter and development of new, ultra-sensitive detector technologies like next-generation liquid noble detectors, neutrino experiments, and specialized quantum sensing techniques.

研究の動機と目的

• 10 TeV からプランクスケールまでの質量を有する超重い暗黒物質（UHDM）候補の理論的・素粒子的側面を同定し、特徴づけること。
• 現在および将来の直接的・間接的検出実験がUHDMを探索可能かどうかを評価すること。
• 次世代の液体希ガス検出器や量子センシング技術を含む、UHDMに特化した新しい検出器技術の開発を提唱すること。
• 非熱的メカニズムや複合状態、ソリトン状態を含む、UHDM生成の新しい理論的モデルを刺激すること。
• 素粒子物理学コミュニティがUHDMを今後の実験的・理論的研究のフロンティアとして優先すべきであることを導くこと。

提案手法

• 重力的生成、モジュールの崩壊、原始ブラックホールの蒸発といった非熱的生成メカニズムによるUHDM生成のモデリング。
• 既存および次世代検出器を用いた直接検出の可能性を検討し、反動エネルギーとイベントレートの計算に注力すること。
• UHDMの崩壊や対消滅から生じる間接検出シグナルを評価し、特に高エネルギーニュートリノ、ガンマ線、宇宙線観測所での兆候に注目すること。
• ユニタリティの制約と残存密度の制約を適用し、UHDMの有効な質量および結合定数の範囲を定義すること。
• CMB や大規模構造の宇宙論的観測からの制約を統合し、UHDMモデルの検証を行うこと。
• 既存の実験（例：IceCube、Super-Kamiokande、HAWC）に対して、UHDMシグナルを抽出するための新しい解析フレームワークを提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランクスケール未満の超重い暗黒物質の主な宇宙論的生成メカニズムは何か？
• RQ2 現在および次世代の直接検出実験は、10 TeV 以上の質量を有するUHDMをどのように探査できるか？
• RQ3 UHDMの崩壊や対消滅から生じる、高エネルギーニュートリノやガンマ線といった間接検出シグナルは何か？
• RQ4 UHDMシグナルに十分な感度を達成するためには、どのような新しい検出器技術が必要か？
• RQ5 ユニタリティと残存密度の制約は、UHDMの有効なパラメータースペースをどのように規定するか？

主な発見

• 10 TeV からプランクスケールまでのUHDM候補は、理論的・素粒子的側面に富んだ、広大でほとんど未踏の暗黒物質パラメータースペースを占める。
• 液体希ガス検出器やニュートリノ検出器を含む現在および次世代の直接検出実験は、高い反動エネルギーと低い背景環境のため、特定のUHDM候補に対して感度を有している。
• 高エネルギーニュートリノ、ガンマ線、宇宙線を用いた間接検出は補完的手段となり得る。IceCube や HAWC といった観測所は、特定のUHDM崩壊チャネルを既に探査可能である。
• UHDMの理論的モデルには、基本粒子、複合状態、ソリトン、原始ブラックホール崩壊の残渣が含まれるが、それぞれが異なる素粒子的兆候を示す。
• 標準的な銀河ホールモデルのもとで、プランクスケールのUHDMのイベントレートは約1イベント/平方メートル/年と推定され、直接検出は困難ではあるが不可能ではない。
• 本稿は、超高感度量子センサーや次世代液体希ガス検出器を含む、UHDM探索に必要な新しい検出器技術の開発が急務であると指摘している。