[论文解读] Models of ultra-heavy dark matter visible to macroscopic mechanical sensing arrays

Carlos Blanco, Bahaa Elshimy+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 94被引用 5

一句话总结

本文提出，大型光机电加速度计阵列可探测接近普朗克尺度的超重暗物质粒子，其机制可能为一种新型长程力或引力相互作用。该研究识别出Q-球、复合暗物质及黑洞遗迹等模型在可探测参数空间内的可行性，证明尽管存在引力坍缩约束，点状、稳定的构型仍具可行性。

ABSTRACT

In recent years, the sensitivity of opto-mechanical force sensors has improved leading to increased interest in using these devices as particle detectors. In this study we consider scenarios where dark matter with mass close to the Planck scale may be probed by a large array of opto-mechanical accelerometers. We motivate a macroscopic mechanical search for ultra-heavy dark matter, exemplified by the efforts of the Windchime collaboration, by providing a survey of the model space that would be visible to such a search. We consider two classes of models, one that invokes a new long-range unscreened force and another that is only gravitationally interacting. We identify significant regions of well-motivated, potentially visible parameter space for versatile models such as Q-balls, composite dark matter, relics of gravitational singularities, and gravitationally produced ultra-heavy particles.

研究动机与目标

• 探索利用大型光机电加速度计阵列探测接近普朗克质量的超重暗物质的可行性。
• 识别可产生轨迹状脉冲信号的、具有充分理论动机的普朗克尺度暗物质模型类别。
• 评估长程力介导与仅通过引力相互作用的暗物质候选者在机械传感背景下的可行性。
• 在考虑引力坍缩稳定性约束的前提下，评估Q-球及其他非拓扑孤子的可探测参数空间。
• 确立机械阵列在探测极端黑洞遗迹（即普朗克尺度残余物）方面的独特优势，该探测通道此前未被探索。

提出的方法

• 建模三维宏观光机电加速度计阵列对来自超重暗物质粒子的脉冲力的响应。
• 通过沿轨迹相关联的脉冲信号分析此类阵列对中尺度暗物质（ng至µg量级）的灵敏度。
• 在理想化探测器模型中，将热噪声与量子噪声作为灵敏度的本底极限。
• 将暗物质候选者分为两类：通过新型无屏蔽长程力相互作用的（如Q-球、复合态），以及仅通过引力相互作用的（如黑洞遗迹）。
• 应用黑洞稳定性约束（如极端黑洞极限）以确定Q-球及其他类似孤子态的允许参数空间。
• 在现实噪声与探测阈值条件下，绘制每类模型的可探测参数空间，包括电荷质量比与质量范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 宏观机械传感器阵列能否探测接近普朗克尺度的超重暗物质粒子？
• RQ2 哪些具有充分理论动机的暗物质模型——如Q-球、复合暗物质或黑洞遗迹——可在该类阵列中产生可探测的脉冲信号？
• RQ3 对长寿命、点状暗物质态（如Q-球）而言，其稳定性约束为何？在引力坍缩极限下是否仍具可行性？
• RQ4 与仅通过引力相互作用的暗物质相比，新型长程力的存在如何影响普朗克尺度暗物质的可探测性？
• RQ5 机械阵列能否唯一探测普朗克尺度暗物质遗迹的参数空间，特别是来自极端黑洞的残余物？

主要发现

• 只要通过长程力或引力相互作用，大型光机电加速度计阵列即可探测接近普朗克尺度的超重暗物质粒子。
• 在质量与电荷满足极端黑洞极限的条件下，具有束缚电荷的Q-球及其他非拓扑孤子可稳定抵抗引力坍缩，该条件在参数空间中定义了允许区域。
• 对于具有无屏蔽长程力的复合暗物质与Q-球，其可探测参数空间显著，尤其当电荷集中于点状态时更为明显。
• 极端黑洞的普朗克尺度遗迹是机械阵列探测的理想候选者，且此类探测器目前是唯一提出可探测该通道的方法。
• 本研究在Q-球、复合暗物质及引力产生的超重粒子等模型中，识别出普朗克尺度暗物质的可行、非盲区参数空间。
• 黑洞极限并未排除可探测的、点状的Q-球构型，因为在所有考虑情况下，可探测区域均安全位于稳定性阈值之上。