[논문 리뷰] Report of the Topical Group on Particle Dark Matter for Snowmass 2021

J. Cooley, Lin, Tongyan외 72명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 33

한 줄 요약

이 보고서는 다양한 질량 규모에 걸친 입자 암흑 물질 탐색을 위한 다각적이고 포괄적인 프로그램을 옹호하며, 직접 탐지와 간접 탐지, 충돌기 탐사 및 강력한 보정을 통해 견고한 발견을 가능하게 하는 접근에 중점을 둡니다. 또한 지속적인 미국 주도와 실험 및 기술 전반에 걸친 견고한 연구개발(R&D)을 촉구합니다.

ABSTRACT

This report summarizes the findings of the CF1 Topical Subgroup to Snowmass 2021, which was focused on particle dark matter. One of the most important scientific goals of the next decade is to reveal the nature of dark matter (DM). To accomplish this goal, we must delve deep, to cover high priority targets including weakly-interacting massive particles (WIMPs), and search wide, to explore as much motivated DM parameter space as possible. A diverse, continuous portfolio of experiments at large, medium, and small scales that includes both direct and indirect detection techniques maximizes the probability of discovering particle DM. Detailed calibrations and modeling of signal and background processes are required to make a convincing discovery. In the event that a candidate particle is found through different means, for example at a particle collider, the program described in this report is also essential to show that it is consistent with the actual cosmological DM. The US has a leading role in both direct and indirect detection dark matter experiments -- to maintain this leading role, it is imperative to continue funding major experiments and support a robust R\&D program.

연구 동기 및 목표

• 입자 암흑 물질을 eV에서 플랑크 스케일 질량에 이르는 광범위한 규모로 포괄적으로 탐색하려는 동기를 부여합니다.
• 발견 가능성을 극대화하기 위해 직접, 간접, 충돌기 접근법의 다양화 포트폴리오를 옹호합니다.
• 정밀한 보정, 배경 모델링 및 교차 실험 검증의 필수적 역할을 강조합니다.
• 다음 세대 암흑 물질 실험을 위한 지속적인 미국 주도 및 확고한 연구개발 자금 지원을 촉구합니다.

제안 방법

• 질량 범위(가벼운 것, 무거운 것, 초무거운 것)를 가로지르는 입자 암흑 물질 후보 및 관측 전략의 풍경을 개략적으로 제시합니다.
• 다양한 검출기 규모를 이용한 직접 탐지, 간접 탐지 및 충돌기 접근법의 광범위한 프로그램을 권장합니다.
• 강건한 발견 주장에 필요한 신호 및 배경 모델링, 보정 및 시뮬레이션의 정밀함의 중요성을 강조합니다.
• 신호를 교차 확인하고 배경을 제약하기 위한 다중 천체 및 다중 파장 분석을 권장합니다.
• 다음 세대 실험을 가능하게 하는 기술 개발과 지하 시설의 역할에 대해 논의합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가까운 시기 및 그 이후에 입자 암흑 물질에 대해 가장 높은 발견 잠재력을 가지는 질량 범위와 상호작용 유형은 무엇입니까?
• RQ2 직접, 간접 및 충돌기 탐색을 어떻게 조정하여 DM 후보에 대한 일관되고 교차 검증된 증거를 제공할 수 있습니까?
• RQ3 다양한 실험에서 견고한 발견에 도달하기 위해 필요한 보정, 배경 이해 및 모델링의 발전은 무엇입니까?
• RQ4 미국의 리더십과 자금 지원이 소규모, 중규모 및 대규모 실험을 포함한 다양한 DM 프로그램을 어떻게 지속시킬 수 있습니까?
• RQ5 다중 천체 관측을 활용하여 DM 신호를 제약하거나 확인하는 최선의 전략은 무엇입니까?

주요 결과

• 규모와 탐지 방식이 다양한 포트폴리오는 발견 확률을 최대화합니다.
• 신호 및 배경의 정밀한 보정과 모델링이 잠재 DM 신호를 확인하고 검증하는 데 필수적입니다.
• 간접 탐지는 광범위한 질량 범위와 다중 천체 신호에 접근할 수 있게 하며, 다른 탐침과의 상관 관계 및 강건한 배경 이해가 필요합니다.
• 직접 탐지와 간접/충돌기 탐지는 이론적 열역학적 물질 및 비열역학적 역사 등의 DM 시나리오를 시험하는 보완적 경로를 제공합니다.
• 미국의 지속적 리더십과 견고한 연구개발 프로그램은 DM 탐색의 글로벌 진전을 유지하는 데 필수적입니다.