[论文解读] Dark Matter Science in the Era of LSST

K. Bechtol, A. Drlica-Wagner+178 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用 6

一句话总结

本白皮书倡导开展一项以薇拉·C·鲁宾太空与时间遗产调查（LSST）为核心的全面暗物质研究计划，利用其深度、大视场的成像和时域数据，在多个尺度上探测暗物质的性质。通过结合LSST对星系晕、恒星流和强引力透镜的观测，以及补充的光谱学、高分辨率成像和间接/直接探测实验，该研究将实现对暗物质粒子质量、自相互作用截面和耦合常数的精确约束——尤其针对自相互作用暗物质（SIDM）、温暗物质（WDM）和轴子样粒子等模型。

ABSTRACT

Astrophysical observations currently provide the only robust, empirical measurements of dark matter. In the coming decade, astrophysical observations will guide other experimental efforts, while simultaneously probing unique regions of dark matter parameter space. This white paper summarizes astrophysical observations that can constrain the fundamental physics of dark matter in the era of LSST. We describe how astrophysical observations will inform our understanding of the fundamental properties of dark matter, such as particle mass, self-interaction strength, non-gravitational interactions with the Standard Model, and compact object abundances. Additionally, we highlight theoretical work and experimental/observational facilities that will complement LSST to strengthen our understanding of the fundamental characteristics of dark matter.

研究动机与目标

• 建立一项协调一致、多方面的暗物质研究计划，利用LSST即将发布的数据，探索标准模型之外的基本暗物质物理。
• 解决尽管LSST将于2022年正式投入运行，但暗物质科学研究在资金和基础设施方面仍存在关键缺口的问题。
• 通过LSST探测直接和间接探测实验无法触及的暗物质参数空间，加强天体物理观测与粒子物理之间的协同作用。
• 通过高精度的晕和次结构测量，改进对关键暗物质模型（包括自相互作用暗物质（SIDM）、温暗物质（WDM）和轴子样粒子）的约束。
• 支持理论与观测基础设施（如光谱后续观测和高分辨率成像），以打破不同暗物质模型之间的简并性，并提升LSST数据的可解释性。

提出的方法

• 利用LSST的深度、大视场、多历元成像，绘制银河系卫星、星系团和强引力透镜系统中暗物质的空间分布及其次结构。
• 应用弱引力透镜和星系聚类统计（3×2pt）测量大尺度暗物质功率谱，约束大质量中微子和其他轻度余晖。
• 结合LSST数据与空间望远镜及地面自适应光学的高分辨率成像，提升强引力透镜和微引力透镜的探测灵敏度。
• 整合LSST的瞬变事件监测与伽马射线和中微子望远镜的数据，搜寻暗物质湮灭或衰变的间接信号。
• 利用银河系恒星的高精度天体测量，改进本地暗物质相空间密度的测量，为直接探测实验提供支持。
• 对宇宙学探针（引力透镜、星系聚类、超新星）进行联合分析，交叉关联暗物质与暗能量，检验具有非最小耦合的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSST能够分辨的暗物质晕的最小质量是多少？这一极限如何约束超轻暗物质和温暗物质模型？
• RQ2 LSST对晕密度剖面和次结构的测量，在多大程度上能够打破自相互作用暗物质与其他暗物质模型之间的简并性？
• RQ3 LSST通过微引力透镜法探测致密天体（如原初黑洞）中的暗物质，其灵敏度如何？
• RQ4 LSST能否在直接探测实验无法触及的范围内，改进对暗物质-重子散射截面的约束？
• RQ5 通过监测极端瞬变事件，LSST在探测轴子样粒子方面的灵敏度预计有何提升？

主要发现

• LSST将实现对温暗物质（WDM）粒子质量和自相互作用暗物质（SIDM）截面的联合敏感度，超越现有约束，预计可探测到WDM质量为6 keV、SIDM截面为2 cm²/g。
• 通过微引力透镜调查，LSST将把致密天体中暗物质最大占比的约束提升至约10%，灵敏度较现有极限提高一个数量级。
• 通过观测银河系卫星星系，LSST将在当前直接探测实验无法触及的范围内，探测到速度无关、自旋无关接触相互作用模型下的暗物质-重子散射截面。
• LSST的3×2pt统计将增强对大质量中微子和其他轻度余晖的约束，可能揭示其对暗物质总量的贡献。
• LSST将实现全天区范围内暗物质与暗能量的空间互相关测量，检验暗能量与暗物质之间存在基本耦合的模型。
• 互补的光谱学和高分辨率成像对于分离恒星物理效应、提升晕剖面和次结构测量的准确性至关重要。