[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Dark Matter Physics from Halo Measurements

K. Bechtol, Simon Birrer+42 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 20

一句话总结

本论文综述了暗物质晕在从群集到亚星量级的广泛尺度上如何揭示暗物质的微观物理学，概述理论发展、观测探针以及未来十年的关键里程碑。

ABSTRACT

The non-linear process of cosmic structure formation produces gravitationally bound overdensities of dark matter known as halos. The abundances, density profiles, ellipticities, and spins of these halos can be tied to the underlying fundamental particle physics that governs dark matter at microscopic scales. Thus, macroscopic measurements of dark matter halos offer a unique opportunity to determine the underlying properties of dark matter across the vast landscape of dark matter theories. This white paper summarizes the ongoing rapid development of theoretical and experimental methods, as well as new opportunities, to use dark matter halo measurements as a pillar of dark matter physics.

研究动机与目标

• 动机：利用晕的性质（丰度、密度轮廓、形状、自旋）来探测暗物质微物理。
• 概述不同暗物质理论如何在宇宙时间尺度上在晕的形成与演化上留下特征。
• 确定观测策略和里程碑，以从星系到亚太阳质量尺度绘制晕的分布。
• 强调晕测量与陆地实验和间接暗物质探测之间的互补性。

提出的方法

• 将暗物质行为分为第一性原理（ab initio）、原位（in situ）和混合类别并映射到晕观测量。
• 讨论预测改变的幂谱、晕丰度和晕内结构的理论模型。
• 描述跨群簇、星系及低星系尺度形成规模以下的观测探针（包括引力透镜、动力学和 21-cm 信号）。
• 总结早期宇宙历史（如 EMDE、动能化等）以及 DM-SM 相互作用如何影响小尺度结构的形成。
• 倡导利用当前和即将到来的设施进行多尺度、跨信使的观测计划。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些晕尺度的特征（丰度、密度轮廓、形状、亚结构）对于区分不同的暗物质微物理最具诊断性？
• RQ2 第一性原理和原位 DM 属性如何在宇宙时间尺度内印刻在晕质量函数和内部结构上？
• RQ3 哪些观测策略可以探测完全暗晕和超小尺度晕以约束 DM 模型？
• RQ4 晕测量在多大程度上能揭示前 BBN 的宇宙历史和早期宇宙动力学？
• RQ5 基于晕的约束与实验室或间接探测方法之间的互补性为何？

主要发现

• 晕观测对超越碰撞无关的 CDM 的广泛暗物质模型具有敏感性，补充了陆地探测。
• DM 表现型学的快速进展使得把微观 DM 属性映射到晕的形成与演化成为可能，跨越约13 Gyr以及晕质量约7个数量级。
• 完全暗的晕和低质量晕在减少 baryonic 不确定性的前提下，为微观物理 DM 属性提供独特约束。
• 早期宇宙历史和 DM 相互作用可以在小尺度结构上留下可检测的印记，包括对晕幂谱和微晕丰度的改变。
• 下一代晕测量（从群簇到极致暗弱矮星系）将以空前的精度测试 CDM 并探测非标准 DM 情景。