[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier: The landscape of low-threshold dark matter direct detection in the next decade

Rouven Essig, Graham K. Giovanetti+91 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 40

一句话总结

白皮书综述了低阈值直接探测 sub-GeV 暗物质的科学机遇、近期进展和未来前景，概述了探测器技术、挑战以及未来十年的研发需求。

ABSTRACT

The search for particle-like dark matter with meV-to-GeV masses has developed rapidly in the past few years. We summarize the science case for these searches, the recent progress, and the exciting upcoming opportunities. Funding for Research and Development and a portfolio of small dark matter projects will allow the community to capitalize on the substantial recent advances in theory and experiment and probe vast regions of unexplored dark-matter parameter space in the coming decade.

研究动机与目标

• 激励对 sub-GeV 暗物质 (meV–GeV) 的搜索，并阐明扩展直接探测实验的科学理由。
• 总结低阈值探测的基础，包括吸收和散射通道及其动力学。
• 调查最近的实验进展，并概述探测器技术与背景的近期和长期目标。
• 倡导一个广泛、研发密集的计划，包括小项目，以探索大尺度、尚未探索的 DM 参数空间。

提出的方法

• 讨论跨多个能量阈值的探测概念（20 eV 及以上；500 meV 量级；meV 量级）。
• 描述靶材料和信号通道（电子/声子/集体激发）及相应的动力学区间。
• 概述实现低阈值探测的传感器技术（Skipper-CCDs, TES, NTD, DEPFET, SNSPDs 等）。
• 概述背景与标定方面的实验挑战，以及减缓它们的方法。
• 参考预测的暗物质基准模型及其如何映射到实验能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 下代低阈值探测器能够探索的 DM-电子和 DM-核子参数空间的哪些区域？
• RQ2 哪些探测器技术和靶材料能够实现 sub-GeV DM 的 meV–eV 尺度阈值？
• RQ3 背景、标定和信号建模如何限制灵敏度，以及在未来十年如何解决？
• RQ4 各种 DM 相互作用模型（重介质与超轻介质、吸收与散射）如何映射到实验覆盖范围？

主要发现

• Sub-GeV DM 直接探测正迅速进展，传感器技术能够实现单电子和单声子的灵敏度。
• 若背景得到控制，克-级-日暴露就可以探测新参数空间。
• 非弹性通道（电子散射、Migdal 效应、辐射制动、集体激发）和合适的靶材料使得 DM 质量从 MeV 到超 keV 阈值的探测成为可能。
• 覆蓋多阈值、多材料和多相互作用类型的广域计划对覆盖多样化 DM 模型和介质情景至关重要。
• 已确定近中期（数年）和远期（更长时间）里扩展灵敏度和探索广泛 DM 参数空间的里程碑。