[논문 리뷰] Snowmass 2021 White Paper: Cosmogenic Dark Matter and Exotic Particle Searches in Neutrino Experiments

J. Berger, D. Brailsford외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 06.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 스노우마스 2021 화이트페이퍼는 톤-스케일 뉴트리노 검출기—특히 물 찌가라스 검출기, 액체아르곤 시간분포형 카메라(LArTPCs), 장문자 물 찌가라스 검출기—가 우주에서 생성된 암흑물질 및 이국적 입자, 예를 들어 가속화된 암흑물질, 암흑성 우주선, 축상입자 유사 입자 등을 탐색하는 데 강력하고 상호보완적인 접근법을 제공한다고 제안한다. 이 종이에서는 이러한 검출기가 이전에 탐색되지 않은 암흑세계 모델의 매개변수 공간을 탐색할 수 있음을 보여주며, 특히 낮은 조도와 높은 에너지 손실을 동반하는 MeV–TeV 스케일 신호에 대해 고감도를 확보할 수 있음을 입증한다. 이는 고급 분석 전략과 검출기 기술을 활용하여 직접 탐색 및 가속기 기반 탐색을 초월한 감도 향상을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The signals from outer space and their detection have been playing an important role in particle physics, especially in discoveries of and searches for physics beyond the Standard Model (BSM); beyond the evidence of dark matter (DM), for example, the neutrinos produced from the dark matter annihilation is important for the indirect DM searches. Moreover, a wide range of new, well-motivated physics models and dark-sector scenarios have been proposed in the last decade, predicting cosmogenic signals complementary to those in the conventional direct detection of particle-like dark matter. Most notably, various mechanisms to produce (semi-)relativistic DM particles in the present universe (e.g. boosted dark matter) have been put forward, while being consistent with current observational and experimental constraints on DM. The resulting signals often have less intense and more energetic fluxes, to which underground, kiloton-scale neutrino detectors can be readily sensitive. In addition, the scattering of slow-moving DM can give rise to a sizable energy deposit if the underlying dark-sector model allows for a large mass difference between the initial and final state particles, and the neutrino experiments with large volume detectors are well suited for exploring these opportunities. This White Paper is devoted to discussing the scientific importance of the cosmogenic dark matter and exotic particle searches, not only overviewing the recent efforts in both the theory and the experiment communities but also providing future perspectives and directions on this research branch. A landscape of technologies used in neutrino detectors and their complementarity is discussed, and the current and developing analysis strategies are outlined.

연구 동기 및 목표

• 기존 및 향후 뉴트리노 검출기가 암흑물질과 이국적 입자로부터 유래된 우주에서 생성된 신호를 탐색할 잠재력을 평가하기 위해.
• 직접 탐색 실험에서 접근할 수 없는 비표준 암흑물질 신호, 예를 들어 가속화된 암흑물질, 암흑성 우주선, 느린 이동 암흑물질 등을 식별하고 특성화하기 위해.
• 다양한 기술(예: 물 찌가라스, LArTPCs)을 가진 뉴트리노 검출기 간의 상호보완성을 암흑세계 모델의 다양한 영역을 탐색하는 데서 규명하기 위해.
• 약한 우주에서 생성된 신호를 최대한 감지하기 위해 이벤트 시뮬레이션, 트리거, 재구성 및 배경 모델링을 포함한 분석 전략을 강화하기 위해.
• 결과를 해석하고 향후 실험 설계를 이끌기 위해 이론 및 실험 공동체 간 협력을 촉진하기 위해.

제안 방법

• 우주에서 생성된 신호를 예측하는 암흑세계 모델의 광범위한 현상학적 조사—예를 들어 암흑물질 유도 뉴트리노, 반응성 또는 우주선 상호작용에 의한 반응성 암흑물질, 폭발적 느린 이동 암흑물질 포함—를 활용한다.
• 질량, 에너지 임계값, 시간 해상도, 입자 식별 능력에 기반해 물 찌가라스, 장문자 물 찌가라스, 시나라스, LArTPCs 등의 다양한 뉴트리노 검출기 기술의 감도를 평가한다.
• 주로 천체 뉴트리노 배경에 의해 지배되는 약한 우주에서 생성된 신호를 추출하기 위해 온오프 방법, 신호+배경 피팅, 불확실성 정량화를 포함한 배경 모델링을 포함한 고급 분석 기법을 적용한다.
• 세부적인 이벤트 생성기와 검출기 반응 모델을 사용하여 신호 및 배경 이벤트를 시뮬레이션하고, MeV에서 TeV에 이르는 넓은 에너지 범위에서 감도를 예측한다.
• 이국적 입자 상호작용으로부터 발생하는 희귀하고 고에너지 이벤트를 포착하기 위해 실시간 데이터 처리 및 혁신적인 트리거 시스템의 중요성을 강조한다.
• 통계적 능력을 향상시키고 다중메시저 천문학을 실현하기 위해 유사 초신성 뉴트리노 탐지 방식과 유사한 다중실험 데이터 통합 프rotocol을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 조도와 높은 배경에 비해 톤-스케일 뉴트리노 검출기가 은하중심이나 태양에서 유래된 가속화된 암흑물질 또는 암흑성 우주선과 같은 우주에서 생성된 암흑물질 신호를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 물 찌가라스, LArTPCs, 장문자 시스템 등의 다양한 검출기 기술이 암흑세계 매개변수 공간의 서로 다른 영역을 어떻게 상호보완적으로 탐색하는가?
• RQ3 주로 천체 뉴트리노 배경에 의해 지배되는 환경에서 이국적 입자로부터 유래된 희귀하고 고에너지 신호를 효과적으로 식별하기 위한 분석 전략은 무엇인가?
• RQ4 기존 및 향후 뉴트리노 실험은 MeV 스케일의 신호, 특히 느리게 움직이는 또는 자가파괴하는 암흑물질에서 기인한 신호에 대해 감도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 협력적 데이터 공유 및 다중실험 분석은 우주에서 생성된 BSM 신호의 확인 또는 배제에 어떤 역할을 할 수 있는가?

주요 결과

• 물 찌가라스 검출기는 대량, 나노초 수준의 시간 해상도, MeV 수준의 에너지 임계값 덕분에 은하중심과 태양에서 유래된 가속화된 암흑물질에 대해 현재 가장 엄격한 한계를 설정하고 있다.
• 장문자 물 찌가라스 검출기는 특히 고에너지 이국적 입자 붕괴 또는 상호작용으로 인한 TeV 스케일의 우주에서 생성된 신호 탐지에 유일하게 적합하다.
• 액체아르곤 시간분포형 카메라(LArTPCs)는 키네틱 에너지가 수십 MeV에 이르는 양성자를 탐지할 수 있고 중간 정도로 무거운 핵을 사용함으로써 하드론성 가속화된 암흑물질에 대해 향상된 감도를 제공한다.
• 느린 이동 암흑물질의 산란은 암흑세계가 큰 질량 분리도를 允허할 경우 상당한 에너지 손실을 유발할 수 있으며, 이에 따라 뉴트리노 검출기가 이러한 탐색에 이상적이다.
• 기존의 뉴트리노 실험들은 이미 암흑물질 모델에 대한 새로운 한계를 발표하여, 우주에서 생성된 신호 탐색의 실현 가능성과 감도를 입증하고 있다.
• 이 종이에서는 다중검출기, 다중실험 접근법—특히 데이터 통합 프로토콜을 포함한—이 우주에서 생성된 BSM 신호를 확인하고 다중메시저 천문학을 발전시키기 위해 필수적일 것임을 규명한다.