[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Observational Facilities to Study Dark Matter

Sukanya Chakrabarti, A. Drlica-Wagner+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本白皮书概述了一项多维度的观测策略，利用下一代电磁波谱和引力波设施，探究暗物质的本质。通过提升宇宙微波背景（CMB）、21厘米、光学/近红外、脉冲星计时以及引力波观测的灵敏度，本文展示了这些设施如何约束暗物质粒子的性质，包括质量、相互作用和聚集特性，同时探测暗能量和中微子物理。

ABSTRACT

We present an overview of future observational facilities that will significantly enhance our understanding of the fundamental nature of dark matter. These facilities span a range of observational techniques including optical/near-infrared imaging and spectroscopy, measurements of the cosmic microwave background, pulsar timing, 21-cm observations of neutral hydrogen at high redshift, and the measurement of gravitational waves. Such facilities are a critical component of a multi-pronged experimental program to uncover the nature of dark matter, while often providing complementary measurements of dark energy, neutrino physics, and inflation.

研究动机与目标

• 识别并优先考虑能够显著推进暗物质经验理解的未来观测设施。
• 展示多波段与多信使设施如何在前所未有的粒子质量范围内约束暗物质模型，涵盖从超轻粒子到原初黑洞的范围。
• 强调暗物质、暗能量与暴胀研究之间的协同作用，突出共享的技术与科学基础设施。
• 倡导对下一代设施进行协调投资，充分利用现有高能物理（HEP）领域在探测器技术、低温技术与数据分析方面的专业知识。
• 将观测宇宙学定位为探测地面实验无法触及的暗物质模型的关键手段。

提出的方法

• 提出对电磁波谱和引力波领域未来观测设施的全面调查，包括CMB、21厘米、光学、脉冲星计时和引力波探测器。
• 通过角分辨率、灵敏度以及可探测宇宙体积（如引力波天文学中的视界距离）等关键指标评估设施性能。
• 利用物质功率谱和小尺度聚集特性作为暗物质微观物理的探针，尤其针对自相互作用和超轻暗物质模型。
• 评估探测器噪声预算和应变灵敏度曲线（如Cosmic Explorer和Einstein Telescope）对探测暗物质相互作用的影响。
• 比较不同技术路径，如低温光学（LIGO Voyager）、长基线激光干涉（Cosmic Explorer）以及低频射电阵列（ngVLA、DSA-2000）。
• 整合现有及近中期设施（如LSST、DESI、JWST、Roman空间望远镜）的数据，作为迈向下一代能力的关键跳板。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代CMB巡天（如CMB-HD）如何提升对轻度热粒子种类数量和暗物质相互作用的约束？
• RQ2 21厘米巡天（如LuSEE-Night、PUMA）在探测小尺度暗物质聚集和物质功率谱方面具有多大潜力？
• RQ3 引力波探测器（如Cosmic Explorer和Einstein Telescope）在通过与致密天体的相互作用或诱导随机背景，探测暗物质方面的能力如何？
• RQ4 大视场光学与近红外巡天（如ELTs、Maunakea光谱巡天望远镜）在改进对暗物质亚结构和星系晕分布的约束方面发挥什么作用？
• RQ5 脉冲星计时阵列和低频射电设施（ngVLA、DSA-2000）在探测以超轻轴子样粒子或暗物质晕形式存在的暗物质方面扮演何种角色？

主要发现

• CMB-HD的角分辨率和灵敏度将比当前CMB巡天提升五倍或以上，使小尺度物质功率谱的精确测量成为可能。
• Cosmic Explorer和Einstein Telescope将把引力波探测范围延伸至红移z ~ 100，实现对致密天体并合事件的高保真测量，并可能探测到暗物质信号。
• LIGO Voyager通过低温光学和降低量子噪声与牛顿噪声，显著提升灵敏度，可作为通往下一代探测器的桥梁。
• 下一代21厘米设施（如LuSEE-Night和PUMA）将探测再电离时期，并通过其对宇宙网结构的影响，约束质量高于~10⁻⁶ eV的暗物质模型。
• 极大望远镜和大视场光谱设施（如DESI-II、Maunakea光谱巡天望远镜）将实现对星系晕中暗物质亚结构的高精度测绘。
• 多信使设施与现有HEP基础设施（尤其在探测器技术、低温技术与数据系统方面）的协同作用，将对最大化科学产出起到关键作用。