[논문 리뷰] Snowmass2021 Cosmic Frontier: The landscape of cosmic-ray and high-energy photon probes of particle dark matter

T. Aramaki, M. Boezio외 23명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 15

한 줄 요약

이 스노우마스2021 화이트페이퍼는 입자 어둠료물질에 민감한 현재 및 향후 천체물리 실험, 특히 기립-테르라 전자보와 메가-킬로전자보 레인지의 X선, 그리고 천체선 반입자에 중점을 두고 있다. 주요 실험적 전초를 규명하며, AMBER와 같은 향후 임무 및 ALICE와 LHCb의 업그레이드를 포함하고 있으며, 천체물리 신호를 해석할 때의 불확실성을 줄이기 위해 충돌기에서의 저에너지 단면적 측정 향상의 절실한 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

This white paper discusses the current landscape and prospects for experiments sensitive to particle dark matter processes producing photons and cosmic rays. Much of the gamma-ray sky remains unexplored on a level of sensitivity that would enable the discovery of a dark matter signal. Currently operating GeV-TeV observatories, such as Fermi-LAT, atmospheric Cherenkov telescopes, and water Cherenkov detector arrays continue to target several promising dark matter-rich environments within and beyond the Galaxy. Soon, several new experiments will continue to explore, with increased sensitivity, especially extended targets in the sky. This paper reviews the several near-term and longer-term plans for gamma-ray observatories, from MeV energies up to hundreds of TeV. Similarly, the X-ray sky has been and continues to be monitored by decade-old observatories. Upcoming telescopes will further bolster searches and allow new discovery space for lines from, e.g., sterile neutrinos and axion-photon conversion. Furthermore, this overview discusses currently operating cosmic-ray probes and the landscape of future experiments that will clarify existing persistent anomalies in cosmic radiation and spearhead possible new discoveries. Finally, the article closes with a discussion of necessary cross section measurements that need to be conducted at colliders to reduce substantial uncertainties in interpreting photon and cosmic-ray measurements in space.

연구 동기 및 목표

• GeV에서 테르라 범위의 어둠료물질에 대해 현재 및 향후 감마선 및 천체선 실험의 감도를 가벼운 어둠료물질에서 초중량 어둠료물질까지 광범위한 질량 범위에서 평가하는 것.
• 은하계 허브, Milky Way 중심, 휘어진 구형은하와 같은 어둠료물질 신호가 감마선 및 천체선 서명을 통해 탐지될 수 있는 주요 천체물리적 대상들을 규명하는 것.
• 보조 천체선 배경을 모델링할 때의 불확실성을 줄이기 위해 충돌기 실험에서의 저에너지 강입자 단면적 향상의 핵심적 역할을 부각하는 것.
• AMBER, ALICE, LHCb 및 향후 X선 및 감마선 임무를 포함한 차세대 관측소가 선형, 연속 방출 및 반입자를 통해 어둠료물질을 탐지할 잠재력을 평가하는 것.
• 잠재적인 어둠료물질 신호를 신뢰성 있게 해석하기 위해 천체물리 관측과 충돌기 물리학 간의 협력적 노력의 필요성을 주장하는 것.

제안 방법

• Fermi-LAT, 대기 체렌코프 천체망원경, 수중 체렌코프 어레이 및 향후 천체기반 임무를 포함한 현재 및 계획 중인 감마선, X선, 천체선 실험에 대한 체계적 리뷰.
• 감마선 및 천체선 채널 통한 어둠료물질 융합 및 붕괴 신호에 대한 감도 평가 — 다양한 질량 척도(가벼운, 무거운, 초중량 어둠료물질)에서.
• 반프로톤, 반두루트론, 반헬륨-3 생성과 같은 입자물리 단면적의 역할 분석 — 기대되는 천체선 배경 및 신호 해석에 영향을 미침.
• 낮은 중심질량 에너지에서의 강입자 상호작용을 측정하는 고정표적 실험(NA61/SHINE 및 AMBER)의 데이터 통합 — 천체선 생성 모델 제약.
• LHC 기반 실험(ALICE, LHCb)을 통한 $p$–$p$ 및 $p$–Pb 충돌에서 반핵종 생성 단면적 측정 — 천체선 전파 모델링에 직접 적용.
• $\bar{\Lambda}_b$ 붕괴 및 전방 영역에서의 생성 측정 결과를 통합하여 보조 과정이 천체 반두루트론 및 반헬륨-3 유량에 기여하는 정도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GeV에서 테르라 범위를 넘어서는 질량 범위에서 현재 및 근래의 감마선 및 천체선 실험의 어둠료물질 탐지 감도는 어떠한가?
• RQ2 특히 반프로톤 및 반핵종에 대한 저에너지 강입자 단면적의 불확실성은 천체선 및 감마선 데이터에서 천체물리 신호를 해석하는 데 어떤 제한을 가하는가?
• RQ3 AMBER 및 업그레이드된 ALICE와 LHCb와 같은 향후 충돌기 실험은 이러한 불확실성을 어느 정도 줄일 수 있으며 어둠료물질 모델의 예측력을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 고에너지 광자 및 천체선을 통한 어둠료물질 탐지에 가장 유망한 천체물리적 대상은 무엇이며, 다양한 어둠료물질 모델 간에 기대되는 신호는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 향후 X선 및 메가전자보 감마선 임무는 단색선 또는 축이온 유사 입자 전환을 통해 어둠료물질 탐지 잠재력을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 현재의 기립-테르라 감마선 관측소(Fermi-LAT 및 대기 체렌코프 망원경)는 여전히 은하계 허브 및 휘어진 구형은하에서 어둠료물질을 탐사하고 있으나, 배경 불확실성으로 인해 감도가 제한된다.
• AMBER 및 업그레이드된 ALICE와 LHCb와 같은 향후 임무는 낮은 중심질량 에너지(<7 GeV)에서의 강입자 상호작용 측정을 통해 반두루트론 및 반헬륨-3 생성 단면적의 불확실성을 줄일 것으로 기대되며, 신호-배경 분리 능력을 향상시킨다.
• NA61/SHINE에서의 $p$–$p$, $p$–C 및 $A$–$A$ 충돌 측정 결과는 천체선 전파 모델 조정 및 임계 영역에서의 응집 및 열역학 모델 테스트에 필수적인 데이터를 제공한다.
• ALICE는 이미 검출기 재료에서 반핵종의 상호작용 단면적을 발표했으며, 이는 천체 반두루트론 유량 예측을 업데이트하고 모델 불확실성을 감소시키는 데 사용되었다.
• LHCb는 매우 전방 영역($2 < \eta < 5$)에서 반두루트론 생성을 측정할 수 있는 유일한 위치에 있으며, 즉각적 및 무거운 품종 붕괴 기여를 접근할 잠재력이 있다.
• 천체선 모델에 $\bar{\Lambda}_b$ 붕괴를 반헬륨-3의 원천으로 포함시키면 예상 유량이 크게 증가할 수 있으며, 향후 반헬륨-3 탐지기의 탐지 잠재력을 높일 수 있다.