[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier: The landscape of cosmic-ray and high-energy photon probes of particle dark matter

T. Aramaki, M. Boezio+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 15

一句话总结

本Snowmass2021白皮书综述了当前及未来对粒子暗物质敏感的宇宙射线与高能光子实验的现状，重点聚焦于GeV–TeV伽马射线、MeV–keV X射线以及宇宙射线反粒子。该文识别了关键实验前沿，包括AMBER等即将开展的任务以及ALICE和LHCb的升级，强调了在对撞机中改进低能截面测量的迫切需求，以减少对天体物理信号解释中的不确定性。

ABSTRACT

This white paper discusses the current landscape and prospects for experiments sensitive to particle dark matter processes producing photons and cosmic rays. Much of the gamma-ray sky remains unexplored on a level of sensitivity that would enable the discovery of a dark matter signal. Currently operating GeV-TeV observatories, such as Fermi-LAT, atmospheric Cherenkov telescopes, and water Cherenkov detector arrays continue to target several promising dark matter-rich environments within and beyond the Galaxy. Soon, several new experiments will continue to explore, with increased sensitivity, especially extended targets in the sky. This paper reviews the several near-term and longer-term plans for gamma-ray observatories, from MeV energies up to hundreds of TeV. Similarly, the X-ray sky has been and continues to be monitored by decade-old observatories. Upcoming telescopes will further bolster searches and allow new discovery space for lines from, e.g., sterile neutrinos and axion-photon conversion. Furthermore, this overview discusses currently operating cosmic-ray probes and the landscape of future experiments that will clarify existing persistent anomalies in cosmic radiation and spearhead possible new discoveries. Finally, the article closes with a discussion of necessary cross section measurements that need to be conducted at colliders to reduce substantial uncertainties in interpreting photon and cosmic-ray measurements in space.

研究动机与目标

• 评估当前及未来伽马射线与宇宙射线实验在从轻量到超重暗物质的广泛质量范围内探测粒子暗物质的灵敏度。
• 识别关键天体物理目标（如银晕、银河系中心及矮椭圆星系），这些目标可能通过光子与宇宙射线信号探测到暗物质信号。
• 强调改进对撞机实验中低能强子截面在减少次级宇宙射线背景建模不确定性方面所起的关键作用。
• 评估下一代天文台（包括AMBER、ALICE、LHCb以及未来的X射线与伽马射线任务）在通过谱线、连续辐射和反粒子探测暗物质方面的发现潜力。
• 倡导天体物理观测与对撞机物理之间的协同努力，以实现对潜在暗物质信号的稳健解释。

提出的方法

• 系统性回顾现有及计划中的伽马射线、X射线与宇宙射线实验，包括Fermi-LAT、大气切伦科夫望远镜、水切伦科夫阵列，以及即将开展的天基任务。
• 评估这些仪器在不同质量尺度（轻量、重、超重暗物质）下对暗物质湮灭与衰变信号的灵敏度，通过光子与宇宙射线通道进行分析。
• 分析粒子物理截面（特别是反质子、反氘核与氦-3离子的产生）在塑造预期天体物理背景及信号解释中的作用。
• 整合固定靶实验（如NA61/SHINE与AMBER）的数据，测量低质心能量下的强子相互作用，以约束宇宙射线产生模型。
• 利用LHC实验（ALICE与LHCb）测量质子-质子与质子-铅核碰撞中反核子产生截面，直接应用于宇宙射线传播建模。
• 整合$\bar{\Lambda}_b$衰变与前向产生测量结果，评估次级过程对宇宙反氘核与反氦-3通量的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前及近期伽马射线与宇宙射线实验在GeV至TeV及更广质量范围内探测粒子暗物质的灵敏度如何？
• RQ2 低能强子截面（特别是反质子与反核子）的不确定性在多大程度上限制了对宇宙射线与伽马射线数据中天体物理信号的解释？
• RQ3 未来对撞机实验（如AMBER及升级后的ALICE与LHCb）在多大程度上可减少这些不确定性，并提升暗物质模型的预测能力？
• RQ4 探测暗物质通过高能光子与宇宙射线信号的最有利天体物理目标是什么？不同暗物质模型下的预期信号有何差异？
• RQ5 未来的X射线与MeV伽马射线任务在通过单色谱线或轴子样粒子转换增强暗物质发现潜力方面有何作用？

主要发现

• 当前GeV–TeV伽马射线观测台（如Fermi-LAT与大气切伦科夫望远镜）持续探测银晕与矮椭圆星系中的暗物质，但灵敏度受限于背景不确定性。
• AMBER等即将开展的任务以及升级后的ALICE与LHCb有望通过测量低质心能量（<7 GeV）下的强子相互作用，显著降低反氘核与反氦-3产生截面的不确定性，从而提升信号与背景的区分能力。
• NA61/SHINE对$p$–$p$、$p$–C与$A$–$A$碰撞的测量为宇宙射线传播模型的校准提供了关键数据，并在阈值区域测试了团簇化与热力学模型。
• ALICE已发表反核子与探测器材料相互作用的截面数据，已被用于更新宇宙反氘核通量的预测，降低了模型不确定性。
• LHCb在极前向区域（$2 < \eta < 5$）测量反氘核产生的能力具有独特优势，可探测即时产生与重味夸克衰变对反氘核通量的贡献。
• 在宇宙射线模型中引入$\bar{\Lambda}_b$衰变为反氦-3的来源，可能显著提升预测通量，从而增强未来反氦-3探测器的发现潜力。