[論文レビュー] Models of ultra-heavy dark matter visible to macroscopic mechanical sensing arrays

Carlos Blanco, Bahaa Elshimy+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 94被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、大規模な光起械的加速度計アレイが、プランクスケール付近の超重いダークマター粒子を、新しい長距離力または重力的相互作用によって検出可能であると提唱している。Qボーリング、複合ダークマター、ブラックホールのプランクスケール由来の痕跡を含む、検出可能なパラメータ空間を同定し、重力的崩壊制約のもとでも点状で安定した構成が依然として妥当であることを示している。

ABSTRACT

In recent years, the sensitivity of opto-mechanical force sensors has improved leading to increased interest in using these devices as particle detectors. In this study we consider scenarios where dark matter with mass close to the Planck scale may be probed by a large array of opto-mechanical accelerometers. We motivate a macroscopic mechanical search for ultra-heavy dark matter, exemplified by the efforts of the Windchime collaboration, by providing a survey of the model space that would be visible to such a search. We consider two classes of models, one that invokes a new long-range unscreened force and another that is only gravitationally interacting. We identify significant regions of well-motivated, potentially visible parameter space for versatile models such as Q-balls, composite dark matter, relics of gravitational singularities, and gravitationally produced ultra-heavy particles.

研究の動機と目的

• 大規模な光起械的加速度計アレイを用いた、プランク質量に近い超重いダークマターの検出可能性を調査すること。
• このような検出器で軌跡的なインパルス信号を生成する可能性がある、プランクスケールのダークマターのwell-motivatedなモデルクラスを同定すること。
• 機械的センシングの文脈において、長距離力媒介型および完全に重力的相互作用のみを示すダークマター候補の妥当性を評価すること。
• 重力的崩壊に対する安定性を考慮した上で、Qボーリングおよびその他の非トポロジカルソリトンのパラメータ空間の検出可能性を評価すること。
• 機械的アレイが、これまで未踏の検出チャネルであった極端ブラックホールのプランクスケール痕跡を検出するのに、なぜ特異的であるかを確立すること。

提案手法

• 超重いダークマター粒子からのインパルス的力に反応する3次元マクロスコピック光起械的加速度計アレイの応答をモデル化すること。
• 軌道に沿った相関するインパルス信号を通じて、ミクロスケールのダークマター（ngからµg）への感度を分析すること。
• 理想化された検出器モデルにおいて、熱的および量子的ノイズを感度の根本的下限として用いること。
• ダークマター候補を2つのクラスに分類すること：新しいスクリーニングのない長距離力で相互作用するもの（例：Qボーリング、複合状態）、および重力的相互作用のみを示すもの（例：ブラックホールの痕跡）。
• Qボーリングおよび類似するソリトン状態の許容可能なパラメータ空間を決定するために、ブラックホールの安定性制約（例：極端ブラックホール限界）を適用すること。
• 実際のノイズおよび検出閾値を想定した下で、各モデルクラスの検出可能なパラメータ空間（電荷対質量比および質量範囲）をマッピングすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨視的機械的センサーアレイは、プランクスケール付近の超重いダークマター粒子を検出可能か？
• RQ2 Qボーリング、複合ダークマター、またはブラックホールの痕跡といったwell-motivatedなダークマターモデルの中で、このようなアレイで検出可能なインパルス信号を生成するのはどれか？
• RQ3 Qボーリングのような長寿命で点状のダークマター状態の安定性制約は何か？ 重力的崩壊限界のもとでも、それらは依然として妥当な状態か？
• RQ4 新しい長距離力が存在する場合、完全に重力的相互作用のみの状況と比較して、プランクスケールのダークマターの検出可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 機械的アレイは、特に極端ブラックホール由来のものであるが、プランクスケールのダークマター痕跡のパラメータ空間を独自に探査可能か？

主な発見

• 大規模な光起械的加速度計アレイは、超重いダークマター粒子が長距離力または重力と相互作用する限り、プランクスケール付近の質量を持つ粒子を検出可能である。
• 電荷が閉じ込められたQボーリングおよびその他の非トポロジカルソリトンは、質量と電荷が極端ブラックホール限界を満たす限り、重力的崩壊に対して安定であり得る。この限界は、パラメータ空間における許容領域を定義する。
• スクリーニングのない長距離力を持つQボーリングおよび複合ダークマターのパラメータ空間は、特に電荷が点状に集中している場合、こうしたアレイにとって顕著に検出可能である。
• 極端ブラックホールのプランクスケール痕跡は、機械的アレイによる検出に最も適した候補であり、現在のところ、この検出チャネルを探索する唯一の提案手法である。
• Qボーリング、複合ダークマター、および重力的に生成された超重い粒子といったモデルにおいて、検出可能な、偏りのないパラメータ空間が同定された。
• ブラックホール限界は、Qボーリングの検出可能な点状構成を除外しない。すべての検討事例において、検出可能な領域は安定性の閾値の安全な上側に位置している。