[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier Dark Matter Direct Detection to the Neutrino Fog

D. S. Akerib, P. B. Cushman+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 43

一句话总结

论文评估GeV–TeV范围直接暗物质探测的未来前景，定义中微子雾，并概述Generation 3目标和推动超越雾区的研究与开发。

ABSTRACT

We present a summary of future prospects for direct detection of dark matter within the GeV/c2 to TeV/c2 mass range. This is paired with a new definition of the neutrino fog in order to better quantify the rate of diminishing returns on sensitivity due to irreducible neutrino backgrounds. A survey of dark matter candidates predicted to fall within this mass range demonstrates that fully testing multiple well-motivated theo-ries will require expanding the currently-funded generation of experiments down to and past the neutrino fog. We end with the status and plans for next-generation exper-iments and novel R&D concepts which will get us there.

研究动机与目标

• 激励在GeV–TeV质量范围内搜索暗物质，并评估不可约的中微子背景如何影响敏感性增长。
• 定义中微子雾以量化由于 CEνNS 背景带来的暴露回报递减。
• 调研接近中微子雾区域的理论上有动机的暗物质候选者。
• 建议一个Generation 3 实验方案及新型研发，以推动超越中微子雾并测试多种理论。

提出的方法

• 使用暴露梯度指数n来量化中微子雾，定义为 n = - (d log σ / d log MT)^-1，针对3σ发现中位横截面。
• 比较来自8B太阳、 大气和DSNB中微子背景，并说明它们的谱与WIMP信号的相似性，特别是对于SI相互作用。
• 回顾并将暗物质模型分为可见领域或暗领域，并将它们的预测横截面映射到中微子雾水平。
• 评估现有和计划探测器的能力与局限性，特别是液态 xenon 与液态 argon TPC 技术在接近雾区方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中微子背景约束下，generation-2 实验在GeV–TeV质量范围的当前和预测覆盖范围是多少？
• RQ2 中微子雾如何影响不同探测器技术的暴露与横截面灵敏度的扩展？
• RQ3 哪些暗物质模型预测的横截面接近或低于中微子雾，以及未来的实验如何区分或测试它们？
• RQ4 需要哪些新技术或策略来推动超越中微子雾并达到发现潜力？
• RQ5 定向探测和替代靶标在减缓中微子背景方面扮演什么角色？

主要发现

• 在当前暴露下，Generation-2 实验无法完全测试GeV–TeV范围内大多数备受动机驱动的候选者。
• 一个暴露量大约多一个数量级的Generation-3系列可以完全测试部分候选者，应包括自旋相关的搜索以探索独特模型。
• 新颖的技术和研发对于改善背景并接近中微子雾附近的互补参数空间至关重要。
• 即使暴露增大，如果中微子通量不确定性仍然存在，仍有大量参数空间无法访问，但降低这些不确定性将打开新的发现空间。
• 定向探测和大质量/低背景方法，包括具有 MPGD 读出的大约 10 m^3 规模的气体 TPC 提供绕过中微子雾的途径。