[論文レビュー] US Cosmic Visions: New Ideas in Dark Matter 2017: Community Report

M. Battaglieri, Belloni, Alberto+249 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 176

ひとこと要約

G2プログラムを補完するための根拠、範囲、および提案された小規模暗黒物質実験（≃$10M）を概説するコミュニティ・ホワイトペーパー。隠れセクター暗黒物質と超軽量暗黒物質を、複数の実験アプローチで扱う。

ABSTRACT

This white paper summarizes the workshop "U.S. Cosmic Visions: New Ideas in Dark Matter" held at University of Maryland on March 23-25, 2017.

研究の動機と目的

• WIMP以外の暗黒物質候補を探る多面的な小規模実験プログラムを推進する。
• 新しい実験の主な対象として、Hidden-Sector DMとUltra-Light DMという2つの広い枠組みを強調する。
• 控えめな資金で追求可能な高価値なパラメータ空間と実験手法を特定する。
• 直接検出、加速器、天体物理探査の多様な実験技術と理論の相乗効果を促進する。

提案手法

• 米国内外の小規模暗黒物質提案と結果の広範な状況を調査・整理する。
• 質量レンジ、相互作用型、実験技術でアプローチを分類し、相補的なパラメータ空間領域を狙う。
• 低閾値検出、アクシオン探索、固定ターゲット実験、超軽量場ベース検出法のプログラム的根拠を提示する。
• 小規模実験の施設、予想感度、および短期から中期のタイムラインを概説する。
• ターゲット実験を刺激するための理論的指針と、異常（muon g-2、Be-8 など）を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小規模実験で探査可能なWIMPを超える最も示唆に富む暗黒物質候補は何か？
• RQ2 低コスト実験のポートフォリオは、隠れセクターおよび超軽量暗黒物質のパラメータ空間の主要領域をどのように包括的にカバーできるか？
• RQ3 数年内にサブGeVから超軽量暗黒物質を探るのに有効な実験技術と施設は何か？
• RQ4 理論、核物理学・原子物理学・凝縮系物理学の洞察をどう活用して、直接検出・加速器・天体物理探査の暗黒物質探索を強化できるか？
• RQ5 直接検出、加速器ベースの探索、コヒーレント場法の間の相補性をどのように活用して発見ポテンシャルを最大化するか？

主な発見

• 低閾値の直接検出と低質量検出器は、グラム規模の標的で隠れセクターのfreeze-inと超軽量DMを探査できる。
• 全QCDアクシオン質量範囲とさまざまな隠れセクタ媒介質の質量をカバーするには、多様な技術の組み合わせが必要である。
• 固定ターゲットおよび加速器実験は、控えめな資金とタイムラインの中でサブGeVDMと関連する力の頑健な探査を提供する。
• 既存の異常現象（例：Be-8、muon g-2）とLIGO観測は、新しいボソンと暗黒物質自己相互作用をターゲットとした小規模実験を促す。
• 宇宙論データを活用し、原子核・原子物理・凝縮系物理への新しい実験的結びつきを導く理論の進展が不可欠である。