[论文解读] Snowmass Cosmic Frontier Report

A. Chou, M. Soares-Santos+29 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

Snowmass 2021 宇宙前沿报告提出了一项全面的战略，通过深入、广泛且具有高影响力的实验，推动粒子物理学的发展，目标是探测暗物质、暗能量、中微子以及通过引力波揭示的新物理。通过利用下一代引力波天文台——如 LIGO Voyager、Cosmic Explorer、LISA 和脉冲星计时阵列——以及原子干涉测量技术，该报告概述了如何探测早期宇宙中的相变，潜在地通过可探测的随机引力波信号，将轴子暗物质与强CP问题联系起来。

ABSTRACT

This report summarizes the current status of Cosmic Frontier physics and the broad and exciting future prospects identified for the Cosmic Frontier as part of the 2021 Snowmass Process.

研究动机与目标

• 确定并优先考虑通过宇宙前沿探索新物理的最有利实验路径。
• 应对2014年P5科学驱动因素中的四个：暗物质、暗能量、中微子以及探索未知领域。
• 制定协调一致的战略，整合对已知物理的深入探测、新参数空间的广泛探索，以及针对基本能量尺度的高影响力实验。
• 通过推进探测器技术和数据分析流程，确保美国在引力波天文学及其在高能物理中应用方面的领导地位。
• 促进高能物理、天体物理学和引力波社区之间的跨学科合作，以最大化发现潜力。

提出的方法

• 利用当前和下一代引力波天文台，包括 LIGO、Virgo、KAGRA、LISA 和脉冲星计时阵列（NANOGrav、EPTA、IPTA），探测早期宇宙相变产生的随机引力波背景。
• 实施 LIGO Voyager 升级，采用晶体硅镜面以减少热畸变，并提升高频段的灵敏度。
• 提出 Cosmic Explorer 项目，采用 40 公里臂长，显著提高灵敏度和基线，以探测低频引力波信号。
• 推进长基线原子干涉测量（例如 MAGIS-100），以探测 1 Hz 频段的引力波，并探测来自暗物质的振荡力。
• 设计专用数据处理管道，用于窄带随机引力波功率的搜索，以及探测质量约为千克级的暗物质穿过干涉仪时产生的瞬态信号。
• 将高能物理专业知识整合到大型引力波天文台的设计与运行中，以优化其对高能物理相关科学的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 如果相变发生在约 10^8 GeV，当前一代天文台（如 LIGO）能否探测到 QCD 轴子模型中 Peccei-Quinn 相变产生的随机引力波背景？
• RQ2 如果探测到轴子相变产生的引力波信号，是否能将轴子质量限制在质量空间的一个数量级内，从而指导直接探测实验？
• RQ3 如果在后暴胀轴子模型（质量范围为 10^-5–10^-2 eV）中首先探测到暗物质，这是否能为未来引力波天文台探测相关相变提供明确目标？
• RQ4 下一代引力波探测器（如 Cosmic Explorer 和 LISA）应如何优化，以探测新基本能量尺度并检验中微子质量生成的见世模型？
• RQ5 原子干涉测量技术（如 MAGIS-100 前导实验）在多大程度上可实现低频引力波和振荡暗物质力的探测？该技术如何扩展至空间任务？

主要发现

• 如果相变发生在约 10^8 GeV，LIGO 可能已经对 QCD 轴子模型中 Peccei-Quinn 相变产生的随机引力波功率谱具有灵敏度，因为红移后的频谱匹配 LIGO 频段。
• 若此类相变产生的引力波信号得到确认，将能以高精度预测轴子质量，使直接探测的搜索窗口从质量空间的 10 个数量级缩小至单个数量级。
• 若首先在后暴胀轴子情景（质量范围 10^-5–10^-2 eV）中探测到暗物质，这将为未来引力波天文台探测相关相变提供精确目标。
• LIGO Voyager 升级项目，采用晶体硅镜面，预计可减少热畸变并提升灵敏度，从而增强对高频引力波的探测能力。
• 提议的 40 公里臂长 Cosmic Explorer 将显著增大天线尺寸和灵敏度，使对随机引力波背景的探测更加深入。
• 在费米实验室开展的 MAGIS-100 前导实验，采用 100 米垂直光路，未来可扩展至 SURF 的 2 公里规模，为实现空间原子干涉测量以探测低频引力波提供了可扩展的路径。