[论文解读] Non-collider searches for stable massive particles

S. Burdin, Malcolm Fairbairn+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 164被引用 6

一句话总结

本文综述了对超出加速器探测范围的稳定大质量粒子（SMPs）——如磁单极子、奇异滴和暗物质候选者——的非对撞机搜索。它整合了宇宙射线、物质捕获和天体物理观测中的实验技术，建立了各类SMP的通量和密度限制，并突出显示了SMP可能构成暗物质的未被探索的质量范围。

ABSTRACT

The theoretical motivation for exotic stable massive particles (SMPs) and the results of SMP searches at non-collider facilities are reviewed. SMPs are defined such that they would be sufficiently long-lived so as to still exist in the cosmos either as Big Bang relics or secondary collision products, and sufficiently massive to be beyond the reach of any conceivable accelerator-based experiment. The discovery of SMPs would address a number of important questions in modern physics, such as the origin and composition of dark matter in the Universe and the unification of the fundamental forces. This review outlines the scenarios predicting SMPs and the techniques used at non-collider experiments to look for SMPs, eg in cosmic rays and bound in matter. The limits so far obtained on the fluxes and matter densities of SMPs which possess various detection-relevant properties such as electric and magnetic charge are given.

研究动机与目标

• 综述标准模型之外的奇异稳定大质量粒子（SMPs）的理论动机，包括暗物质和统一理论。
• 总结用于非对撞机SMPs搜索的实验技术，重点聚焦于宇宙射线、物质中捕获的粒子以及天体物理观测。
• 整理并解释不同性质SMPs（电荷/磁荷、质量、相互作用强度）在多种探测方法下的现有通量和密度限制。
• 识别实验覆盖中的空白区域，并强调尚未充分探索的质量与性质范围，这些区域中SMPs仍可能构成暗物质。
• 倡导开展更广泛、更具想象力的非对撞机实验，以探测超出TeV尺度的物理学，而这是对撞机无法触及的。

提出的方法

• 系统性回顾预测SMPs存在的理论模型，包括超对称粒子、磁单极子、Q-球、奇异滴以及原初黑洞。
• 分析SMPs在物质中能量损失机制，如电离、强子相互作用以及磁单极子结合，以预测其可探测性。
• 应用质谱法、放射化学分析和原子光谱法检测SMPs在物质中结合后形成的重同位素。
• 在月球岩石、陨石和铁熔炉等材料中使用感应与提取技术搜寻磁单极子。
• 利用宇宙射线探测器，包括水/冰观测站中的切伦科夫光与射电信号，以及塑料核径迹探测器。
• 采用引力透镜（微引力透镜、飞引力透镜）、地震探测以及间接信号（如地热异常和太阳振荡）探测宏观SMPs。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型之外稳定大质量粒子（SMPs）存在的理论动机是什么？
• RQ2 不同类型的SMPs（如磁单极子、奇异滴和Q-球）如何与物质相互作用，其能量损失机制是什么？
• RQ3 SMPs在宇宙射线中以及在地球和地外物质中束缚状态下的通量和丰度当前实验限制为何？
• RQ4 非对撞机实验如何探测远超对撞机实验（如LHC）探测能力的SMP质量范围？
• RQ5 SMPs在不同质量和相互作用强度范围内的实验覆盖存在哪些关键空白？如何加以弥补？

主要发现

• 在90%置信水平下，核子滴（奇异滴）的通量限制在质量范围约100 g至10^15 g之间存在显著未被约束区域，表明其可能构成暗物质。
• 对月球样品、陨石和极地火山岩中磁单极子的搜索设定了严格限制，但尚未有确认的探测结果。
• 使用塑料核径迹探测器和切伦科夫光发射的宇宙射线探测器，已将质量超过100 GeV的SMP通量限制在约10^-18 cm^-2 s^-1 sr^-1。
• 通过地热异常、太阳振荡和动力学效应等间接搜索，对宏观SMPs提出了约束，但不确定性较大。
• 原初黑洞（PBHs）作为暗物质候选者受到霍金辐射的强烈约束，其蒸发信号预期会产生超高能宇宙射线和伽马射线暴。
• 尚未发现蒸发PBHs产生的微秒级伽马射线暴，但已提出改进技术以探测更短时标的爆发。