[论文解读] Report of the Topical Group on Particle Dark Matter for Snowmass 2021

J. Cooley, Lin, Tongyan+72 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 33

一句话总结

该报告倡导在多个质量尺度上进行多元化、分阶段的粒子暗物质搜索计划，强调直接探测与间接探测、对撞机探测以及强力标定以实现稳健的发现。同时呼吁持续的美国领导力以及跨实验与技术领域的强健研发投入。

ABSTRACT

This report summarizes the findings of the CF1 Topical Subgroup to Snowmass 2021, which was focused on particle dark matter. One of the most important scientific goals of the next decade is to reveal the nature of dark matter (DM). To accomplish this goal, we must delve deep, to cover high priority targets including weakly-interacting massive particles (WIMPs), and search wide, to explore as much motivated DM parameter space as possible. A diverse, continuous portfolio of experiments at large, medium, and small scales that includes both direct and indirect detection techniques maximizes the probability of discovering particle DM. Detailed calibrations and modeling of signal and background processes are required to make a convincing discovery. In the event that a candidate particle is found through different means, for example at a particle collider, the program described in this report is also essential to show that it is consistent with the actual cosmological DM. The US has a leading role in both direct and indirect detection dark matter experiments -- to maintain this leading role, it is imperative to continue funding major experiments and support a robust R\&D program.

研究动机与目标

• 推动覆盖从电子伏特到普朗克尺度质量的全面多尺度粒子暗物质搜索。
• 主张多元化的直接探测、间接探测和对撞机方法组合，以最大化发现机会。
• 强调详细标定、背景建模以及跨实验校验的关键作用。
• 倡导持续的美国领导力以及面向下一代暗物质实验的持续研发资助。

提出的方法

• 概述粒子暗物质候选者及在不同质量范围（轻、重、超重）上的观测策略的格局。
• 建议一项涵盖直接探测、间接探测与对撞机方法的广泛计划，利用多种探测器尺度。
• 强调在稳健发现结论中，精确的信号与背景建模、标定和仿真的重要性。
• 提倡多信使和多波段分析以交叉验证信号并约束背景。
• 讨论技术发展和地下设施在推动下一代实验中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在近期及未来，哪些质量范围和相互作用类型对粒子暗物质具有最高的发现潜力？
• RQ2 如何协调直接探测、间接探测与对撞机探测以提供一致且可交叉验证的暗物质候选证据？
• RQ3 为了在各实验中实现稳健发现，需要哪些标定、背景理解与建模方面的进展？
• RQ4 美国的领导力与资助如何维持包括小规模、中等规模和大规模实验在内的多元暗物质计划？
• RQ5 利用多信使观测来约束或确认暗物质信号的最佳策略是什么？

主要发现

• 跨尺度与多种探测方式的多元且持续的实验组合可最大化发现概率。
• 对信号与背景进行精确标定与建模对于确认和验证潜在的暗物质信号至关重要。
• 间接探测提供了广泛的质量范围和多信使信号的获取渠道，需建立健全的背景理解并与其他探针进行相关性分析。
• 直接探测与间接/对撞机探针共同提供互补途径来检验暗物质场景，包括热剩余和非热历史。
• 持续的美国领导力和强健的研发计划对于保持全球在暗物质搜索方面的进展至关重要。