[论文解读] Snowmass 2021 White Paper: Cosmogenic Dark Matter and Exotic Particle Searches in Neutrino Experiments

J. Berger, D. Brailsford+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本篇2021年Snowmass白皮书提出，吨级规模的中微子探测器——尤其是水契忍可夫探测器、液氩时间投影室（LArTPCs）以及长弦水契忍可夫探测器——为搜寻宇宙起源的暗物质及奇异粒子（如加速暗物质、暗宇宙射线和轴子样粒子）提供了一种强大且互补的方法。本文表明，这些探测器能够探测到此前未被探索的暗物质 sector 模型参数空间，尤其针对MeV–TeV量级、通量低且能量沉积高的信号，通过先进分析策略与探测器技术，其灵敏度可超越直接探测与加速器实验的探测能力。

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.

研究动机与目标

• 评估现有及未来中微子探测器在搜寻来自暗物质与奇异粒子的宇宙起源信号方面的潜力。
• 识别并表征直接探测实验无法触及的非常规暗物质信号，如加速暗物质、暗宇宙射线以及慢速运动的暗物质。
• 概述不同技术探测器（如水契忍可夫、LArTPCs）在探测多样化暗物质 sector 模型中的互补性。
• 倡导采用增强的分析策略——事件模拟、触发、重建与背景建模——以最大化对低通量、高能宇宙起源信号的灵敏度。
• 推动理论与实验社区之间的合作，以解释结果并指导未来实验设计。

提出的方法

• 对预测宇宙起源信号的暗物质 sector 模型进行全面的唯象学调查，包括由暗物质诱导的中微子、通过半湮灭或宇宙射线相互作用产生的加速暗物质，以及爆炸性慢速运动暗物质。
• 基于质量、能量阈值、时间分辨率及粒子识别能力，评估水契忍可夫、长弦水契忍可夫、闪烁体及LArTPC等不同类型中微子探测器技术的灵敏度。
• 应用先进分析技术，如关-开方法、信号+背景拟合，以及包含不确定性量化的背景建模，以从主导的中微子背景中提取微弱的宇宙起源信号。
• 利用详细的事件生成器与探测器响应模型，模拟信号与背景事件，以预测在宽广能量范围（MeV至TeV）内的灵敏度。
• 强调实时数据处理与创新触发系统的重要性，以捕捉来自奇异粒子相互作用的稀有高能事件。
• 提出一种协调一致的多实验数据组合协议，以增强统计功效，并实现多信使天文学，类似于超新星中微子探测的模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管通量低且背景高，吨级规模中微子探测器能否探测到来自银河系中心或太阳的宇宙起源暗物质信号（如加速暗物质或暗宇宙射线）？
• RQ2 水契忍可夫、LArTPCs、长弦系统等不同探测器技术如何在探测暗物质 sector 参数空间的不同区域方面实现互补？
• RQ3 在主导的天体物理中微子背景存在下，何种分析策略最有效于识别来自奇异粒子的稀有高能信号？
• RQ4 现有及未来的中微子实验如何提升对MeV量级信号的灵敏度，特别是来自慢速运动或自毁型暗物质的信号？
• RQ5 协调的数据共享与跨实验分析在确认或排除宇宙起源新物理信号方面发挥何种作用？

主要发现

• 水契忍可夫探测器由于其大质量、纳秒级时间分辨率及MeV量级能量阈值，目前对来自银河系中心和太阳的加速暗物质设定了最严格的限制。
• 长弦水契忍可夫探测器在探测TeV量级宇宙起源信号方面独具优势，尤其适用于高能奇异粒子衰变或相互作用的探测。
• 液氩时间投影室（LArTPCs）因其可探测动能低至数十MeV的质子，以及使用中等重核素，对强子型加速暗物质具有增强的灵敏度。
• 若暗物质 sector 允许较大的质量能级差，慢速运动暗物质的散射可产生显著的能量沉积，使中微子探测器成为此类搜寻的理想选择。
• 现有中微子实验已发表结果，对暗物质模型设定了新限制，证明了宇宙起源信号搜寻的可行性与高灵敏度。
• 本文确立，协调一致的多探测器、多实验方法——尤其是数据组合协议——对于确认宇宙起源新物理信号及推动多信使天文学的发展至关重要。