[论文解读] A Snowmass Whitepaper: Dark Matter Production at Intensity-Frontier Experiments

Gordan Krnjaic, Natalia Toro+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 139被引用 8

一句话总结

本Snowmass白皮书倡导开展强度前沿实验——如固定靶装置、味工厂和前向探测器——通过轫致辐射、介子衰变和Drell-Yan过程等产生机制探测轻暗物质（MeV–GeV）。针对具有轻中介子（如暗光子）的热暗物质模型，白皮书确定了关键灵敏度里程碑，强调与宇宙学及能量前沿探测手段的互补性，并概述了拓展当前探测范围的实验策略。

ABSTRACT

Dark matter particles can be observably produced at intensity-frontier experiments, and opportunities in the next decade will explore important parameter space motivated by thermal DM models, the dark sector paradigm, and anomalies in data. This whitepaper describes the motivations, detection strategies, prospects and challenges for such searches, as well as synergies and complementarity both within RF6 and across HEP.

研究动机与目标

• 确定并绘制当前及近未来设施可探测的轻暗物质（MeV–GeV）参数空间。
• 概述在固定靶和对撞机环境中探测轻暗物质的实验策略——包括缺失能量/动量和半可见信号。
• 建立强度前沿探测与其它前沿（宇宙学、能量）之间的联系，突出其在探测热暗物质模型方面的互补性。
• 识别当前覆盖范围中的空白，特别是10–100 GeV质量区间的不足，并提出未来分析方向。
• 推动针对弱耦合中介子（尤其是暗光子和毫电荷粒子）的轻暗物质的专用实验计划。

提出的方法

• 通过可见粒子反冲的运动学重建，识别缺失能量、动量或不变质量信号。
• 对标准模型末态实施抑制策略，以在缺失能量探测中抑制本底。
• 利用前向探测器探测在束流靶或作用点产生的再散射暗物质或毫电荷粒子。
• 分析半可见信号，即暗物质产生后在探测器中留下可探测的低动量可见成分。
• 建模通过矢量门控（如暗光子与标准模型光子的混合）、标量中介子和中微子门控相互作用的暗物质产生。
• 采用简化模型评估灵敏度，并与热冻结模型基准进行比较，重点关注参数化弱耦合（10⁻³–10⁻⁶）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前及近未来设施的强度前沿实验可探测的轻暗物质参数空间（质量、耦合）的哪些区域？
• RQ2 强度前沿实验对轻暗物质的探测如何与直接探测和宇宙射线探测手段互补，以约束热冻结模型？
• RQ3 在10–100 GeV暗物质与中介子质量范围内，探测面临的主要挑战与机遇是什么？该范围介于强度前沿与能量前沿探测能力之间。
• RQ4 再散射与半可见信号在探测非最小耦合或毫电荷态暗物质方面有何增强灵敏度的作用？
• RQ5 强度前沿实验如何最优地利用轫致辐射、介子衰变和Drell-Yan过程等加速器产生机制探测轻暗物质？

主要发现

• 强度前沿实验可通过轫致辐射和介子衰变等产生机制，探测质量为MeV–GeV、具有轻中介子（如暗光子）的热暗物质模型。
• 白皮书确定了暗光子模型的具体灵敏度里程碑，探测范围可延伸至约10⁻⁶的耦合，与亚GeV暗物质的热冻结模型一致。
• 再散射与半可见信号对具有非最小耦合或毫电荷态的暗物质具有独特灵敏度，超越传统缺失能量探测。
• 在10 GeV至Z玻色子峰之间，暗物质与中介子质量存在显著覆盖空白，对强度前沿与能量前沿实验而言均具挑战性。
• 将强度前沿探测与低阈值直接探测及宇宙探测手段（如$N_{\rm eff}$、小尺度结构）相结合，可形成强大、多管齐下的暗物质探测策略。
• 本文强调，尽管直接探测对弹性散射和速度依赖截面敏感，但强度前沿实验在探测整个暗物质领域（包括非弹性与非弹性过程）方面具有独特优势。