[論文レビュー] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Dark Matter Physics from Halo Measurements

K. Bechtol, Simon Birrer+42 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、クラスターから亜天体規模までの広いスケールにまたがるダークマターハローが、ダークマターのミクロ物理をどのように解明できるかを概観し、理論的発展、観測的探査、そして今後10年間の重要なマイルストーンを示している。

ABSTRACT

The non-linear process of cosmic structure formation produces gravitationally bound overdensities of dark matter known as halos. The abundances, density profiles, ellipticities, and spins of these halos can be tied to the underlying fundamental particle physics that governs dark matter at microscopic scales. Thus, macroscopic measurements of dark matter halos offer a unique opportunity to determine the underlying properties of dark matter across the vast landscape of dark matter theories. This white paper summarizes the ongoing rapid development of theoretical and experimental methods, as well as new opportunities, to use dark matter halo measurements as a pillar of dark matter physics.

研究の動機と目的

• ハローの特性（豊富さ、密度プロファイル、形状、スピン）をダークマターのミクロ物理の探査手段として動機づける。
• さまざまなDM理論が宇宙の時間を通じたハロー形成と進化にどのような痕跡を刻むかを概説する。
• 銀河から太陽質量未満のスケールまでのハローを可視化するための観測戦略とマイルストーンを特定する。
• ハロー測定と陸上・間接DM探索との補完性を強調する。）

提案手法

• ダークマターの挙動をab initio、in situ、ハイブリッドのカテゴリーに分類し、ハロー観測可能量へ対応づける。
• パワースペクトルの変化、ハロー出現数、内部ハロー構造を予測する理論モデルを検討する。
• クラスター、銀河、銀河以下の形成スケールにわたる観測手法を説明する（レンズ、ダイナミクス、21-cm 信号を含む）。
• 初期宇宙史（例：EMDE、キネーション）とDM-SM相互作用が小規模構造形成に与える影響を要約する。
• 現在および今後の施設を活用した多スケール・マルチメッセージの観測キャンペーンを提唱する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるダークマターのミクロ物理によって最も診断的となるハロー規模の痕跡（豊富さ、密度プロファイル、形状、サブ構造）は何か？
• RQ2 ab initio および in situ の DM 性質は、宇宙の時間を通じたハロー質量関数と内部構造にどのような痕跡を刻むのか？
• RQ3 完全にダークなハローと超小規模ハローを検出してDMモデルを制約する観測戦略は何か？
• RQ4 ハロー測定は前BBN宇宙史と初期宇宙の動力学をどの程度まで情報提供できるのか？
• RQ5 ハローに基づく制約と実験室または間接検出アプローチとの補完性は？

主な発見

• ハロー観測は、衝突なしCDMを超える幅広いDMモデルに感度を持ち、陸上探査を補完する。
• DM現象論の急速な進展により、約13 Gyrと約7桁のハロー質量スケール範囲にわたり、微視的DM特性をハロー形成と進化に結びつけることが可能になっている。
• 完全にダークなハローおよび低質量ハローは、バリアン量の不確実性が低い状態でミクロ物理的DM特性に対する独自の制約を提供する。
• 初期宇宙史とDM相互作用は、小規模構造に検出可能な痕跡を残す可能性があり、ハローのパワースペクトルやミクロハローの出現数に影響を与える。
• 次世代のハロー測定（クラスターから超微量銀河)はCDMを検証し、非標準DMシナリオを前例のない精度で探る。