[论文解读] Dark Sector Physics at High-Intensity Experiments

Stefania Gori, M. Williams+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

本文倡导开展全面的高强度实验计划，通过多用途探测器（如Belle-II、LHCb）和专用实验（CCM200、LDMX），系统探测暗能量领域物理——特别是弱耦合、低质量暗物质及其媒介粒子。研究表明，即将开展的强度前沿实验可覆盖广阔的暗能量领域参数空间，包括热暗物质、长寿命粒子，以及解释异常现象（如μ子g−2）的模型，显著推进标准模型之外的新物理研究。

ABSTRACT

Is Dark Matter part of a Dark Sector? The possibility of a dark sector neutral under Standard Model (SM) forces furnishes an attractive explanation for the existence of Dark Matter (DM), and is a compelling new-physics direction to explore in its own right, with potential relevance to fundamental questions as varied as neutrino masses, the hierarchy problem, and the Universe's matter-antimatter asymmetry. Because dark sectors are generically weakly coupled to ordinary matter, and because they can naturally have MeV-to-GeV masses and respect the symmetries of the SM, they are only mildly constrained by high-energy collider data and precision atomic measurements. Yet upcoming and proposed intensity-frontier experiments will offer an unprecedented window into the physics of dark sectors, highlighted as a Priority Research Direction in the 2018 Dark Matter New Initiatives (DMNI) BRN report. Support for this program -- in the form of dark-sector analyses at multi-purpose experiments, realization of the intensity-frontier experiments receiving DMNI funds, an expansion of DMNI support to explore the full breadth of DM and visible final-state signatures (especially long-lived particles) called for in the BRN report, and support for a robust dark-sector theory effort -- will enable comprehensive exploration of low-mass thermal DM milestones, and greatly enhance the potential of intensity-frontier experiments to discover dark-sector particles decaying back to SM particles.

研究动机与目标

• 推进对标准模型之外弱耦合、低质量新物理的暗能量领域探索，其动因包括暗物质、中微子质量及宇宙学不对称性。
• 识别并优先考虑可解释异常现象（如μ子(g−2)μ和短基线中微子振荡）的暗能量领域模型的实验探测路径。
• 倡导一种协调的四方面实验策略：在多用途实验中开展暗能量领域分析，扩展DMNI计划以涵盖可见末态和长寿命粒子，以及提供坚实的理论支持。
• 实现对热暗物质里程碑和向量及（赝）标量媒介粒子衰变为标准模型粒子的敏感度提升的全面覆盖。
• 确保关键实验（如LDMX）及时完成，以在灵敏度丧失前探测低质量暗物质区域。

提出的方法

• 利用高强度前沿实验，结合高束流强度、精密仪器和优化探测器几何结构，探测弱耦合、低质量的暗能量领域。
• 利用Belle-II和LHCb等多用途探测器，高效覆盖GeV量级暗物质及衰变为普通物质的媒介粒子的大片参数空间。
• 在多用途实验中实施触发优化和分析升级，仅需极少资源投入（少数物理学家），以增强对暗能量领域信号的探测灵敏度。
• 设计并资助专用实验，如CCM200（质子束重新散射）和LDMX（电子束缺失动量），以探测低质量热暗物质和长寿命粒子。
• 通过介导标准模型与暗能量领域相互作用的“门户”分类暗能量领域模型，区分弱耦合与强耦合区域（如iDM和SIMPs）。
• 预测一系列实验（已运行、美国提出的、国际主导的以及未来的）的灵敏度，以在参数空间中绘制实验计划的完整覆盖范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 高强度实验能否探测到低质量热暗物质的全部参数空间，包括高能对撞机或精密原子测量无法触及的区域？
• RQ2 CCM200和LDMX等即将开展的实验在多大程度上可探索低质量暗物质区域及衰变为标准模型末态的长寿命暗能量领域粒子？
• RQ3 强度前沿实验在多大程度上能有效探测解释μ子(g−2)μ异常的模型，特别是具有非最小化味依赖耦合的模型？
• RQ4 现有及拟议实验在探测轴子样粒子（ALPs）方面的覆盖范围如何，包括对夸克和轻子的味破坏耦合？
• RQ5 综合实验计划能否全面检验弱耦合与强耦合的暗能量领域模型（如iDM和SIMP），这些模型分别通过3→2湮灭或共湮灭机制预测可行的遗迹丰度？

主要发现

• CCM200已完成并已投入运行，现已可立即访问低质量暗能量领域物理。
• 尽管LDMX尚处于预项目阶段，但其提供了独特且成本效益高的路径，可全面探索低质量热暗物质区域，因此及时获得建设资金至关重要。
• Belle-II和LHCb等多用途实验可仅以极少额外资源，高效覆盖GeV量级暗物质及衰变为标准模型粒子的媒介粒子的大片参数空间。
• 所提议的实验计划可探测iDM和SIMP模型允许参数空间的显著部分，这些模型分别通过共湮灭和3→2湮灭机制实现可行的遗迹丰度。
• 高强度实验将探测广泛的轴子样粒子（ALP）耦合，包括对夸克和轻子的味破坏相互作用，补充并扩展天体物理约束。
• 包括美国主导和国际项目在内的综合实验努力，将能够发现或排除μ子(g−2)μ异常的新物理解释，尤其在具有非最小化味依赖耦合的模型中。