[论文解读] Probing the Fundamental Nature of Dark Matter with the Large Synoptic Survey Telescope

A. Drlica-Wagner, Yao-Yuan Mao+98 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 31

一句话总结

本文提出，大型巡天望远镜（LSST）将通过观测超暗弱矮星系、恒星流、强引力透镜系统和微引力透镜事件，探测暗物质的基本性质。LSST的深度、大范围和时域巡天将实现对暗物质晕特性、自相互作用以及致密天体成分的精确测量，从而以前所未有的灵敏度在多种质量尺度上检验自相互作用暗物质、温暗物质、轴子样粒子以及原初黑洞等模型。

ABSTRACT

Astrophysical and cosmological observations currently provide the only robust, empirical measurements of dark matter. Future observations with Large Synoptic Survey Telescope (LSST) will provide necessary guidance for the experimental dark matter program. This white paper represents a community effort to summarize the science case for studying the fundamental physics of dark matter with LSST. We discuss how LSST will inform our understanding of the fundamental properties of dark matter, such as particle mass, self-interaction strength, non-gravitational couplings to the Standard Model, and compact object abundances. Additionally, we discuss the ways that LSST will complement other experiments to strengthen our understanding of the fundamental characteristics of dark matter. More information on the LSST dark matter effort can be found at https://lsstdarkmatter.github.io/ .

研究动机与目标

• 确立LSST作为超越高能实验能力范围的暗物质基本性质探测平台的变革性作用。
• 协调LSST科学合作组织中分散的暗物质研究，形成统一的、由社区推动的科学论证。
• 利用天体物理观测约束无法在地面实验中检验的暗物质模型。
• 在矮星系和星系团中实现对暗物质晕特性的精确测量，以检验自相互作用和隐性 sector 模型。
• 通过探测粒子加速器和地下探测器无法触及的参数空间，补充直接和间接暗物质探测实验。

提出的方法

• 利用LSST的深度、大范围和多历元光学成像，探测并表征银河系卫星星系中最小的暗物质晕。
• 测量矮星系和星系团中暗物质晕的形状和密度，以探究自相互作用和暗光子模型。
• 开展高时间分辨率的微引力透镜巡天，以探测原初黑洞并约束其在宽广质量范围内的暗物质成分占比。
• 分析恒星族数据以探测异常的能量损失，从而约束轴子样粒子与光子和电子的耦合。
• 以高精度绘制大尺度结构，以解析暗物质和暗能量的空间影响，并搜寻暗物质与暗能量组分之间的关联。
• 整合LSST数据与直接探测、间接探测及粒子物理实验的结果，以约束暗物质-重子散射、自湮灭和衰变过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过最小可探测暗物质晕的观测，超轻暗物质和热温暗物质的最小质量尺度是多少？
• RQ2 矮星系中的暗物质晕在多大程度上偏离冷暗物质的预测，表明存在自相互作用或隐性 sector 耦合？
• RQ3 通过LSST巡天中微引力透镜光变曲线测量，原初黑洞可贡献多少比例的暗物质？
• RQ4 与光子和电子具有耦合的轴子样粒子如何影响恒星的能量损失？这一效应能否通过恒星族测量推断？
• RQ5 在大尺度上，暗物质与暗能量的空间分布是否存在可观测的相关性？这一问题能否通过LSST的宇宙学巡天揭示？

主要发现

• LSST将通过观测银河系卫星中最小可分辨暗物质晕，探测超轻暗物质和热温暗物质的最小质量尺度。
• 对矮星系中暗物质晕形状和密度的精确测量，将约束自相互作用和隐性 sector 模型，包括暗光子情景。
• LSST的微引力透镜巡天将探测原初黑洞，并在宽广质量范围内以亚百分之一的精度约束其对暗物质的贡献。
• 恒星族测量将探测到异常的能量损失，从而对轴子样粒子与光子和电子的耦合施加约束。
• 高精度的大尺度结构测绘将解析暗物质和暗能量的空间影响，使我们能够搜寻暗物质组分之间的关联。
• LSST的互补性方法将拓展高能物理计划的探测范围，进入当前加速器和直接探测手段无法触及的暗物质参数空间。