[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Ultraheavy particle dark matter

Daniel Carney, Nirmal Raj+26 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 198被引用 6

一句话总结

本篇2021年Snowmass宇宙前沿白皮书提出对质量介于10 TeV至普朗克尺度（~10^16 TeV）的超重暗物质（UHDM）候选者的全面探索，该参数空间迄今尚未被充分研究。论文概述了通过直接探测与间接探测实现的新颖策略，强调了下一代探测器（如液态稀有气体探测器、中微子观测站和量子传感器）在探测该领域的潜力，同时指出了对新理论模型与实验技术的迫切需求。

ABSTRACT

We outline the unique opportunities and challenges in the search for 'ultraheavy' dark matter candidates with masses between roughly $10~{ m TeV}$ and the Planck scale $m_{ m pl} \approx 10^{16}~{ m TeV}$. This mass range presents a wide and relatively unexplored dark matter parameter space, with a rich space of possible models and cosmic histories. We emphasize that both current detectors and new, targeted search techniques, via both direct and indirect detection, are poised to contribute to searches for ultraheavy particle dark matter in the coming decade. We highlight the need for new developments in this space, including new analyses of current and imminent direct and indirect experiments targeting ultraheavy dark matter and development of new, ultra-sensitive detector technologies like next-generation liquid noble detectors, neutrino experiments, and specialized quantum sensing techniques.

研究动机与目标

• 确定并表征质量范围为10 TeV至普朗克尺度的超重暗物质（UHDM）候选者的理论与现象学图景。
• 评估当前及未来直接与间接探测实验在探测UHDM方面的可行性。
• 倡导开发专为UHDM设计的新探测器技术，包括下一代液态稀有气体探测器与量子传感技术。
• 激发针对UHDM产生机制的新理论模型，包括非热机制以及复合态或孤子态。
• 引导粒子物理学界将UHDM作为未来实验与理论研究的前沿领域予以优先关注。

提出的方法

• 通过引力产生、模场衰变或原初黑洞蒸发等非热机制模拟UHDM的产生。
• 利用现有及下一代探测器分析直接探测前景，重点研究反冲能量与事例率的计算。
• 评估来自UHDM衰变或湮灭的间接探测信号，特别是高能中微子、伽马射线与宇宙射线观测站中的信号。
• 应用幺正性约束与遗迹密度约束，界定UHDM质量与耦合常数的可行范围。
• 整合来自宇宙学观测（包括CMB与大尺度结构）的约束，以检验UHDM模型。
• 为现有实验（如IceCube、Super-Kamiokande、HAWC）提出新的分析框架，以提取UHDM信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在普朗克尺度以下，超重暗物质的主要宇宙学产生机制是什么？
• RQ2 当前及下一代直接探测实验如何调整以探测质量超过10 TeV的UHDM？
• RQ3 UHDM衰变或湮灭可能产生哪些间接探测信号（如高能中微子或伽马射线）？
• RQ4 需要何种新型探测器技术才能实现对UHDM信号的足够灵敏度？
• RQ5 幺正性与遗迹密度约束如何限定UHDM的可行参数空间？

主要发现

• 质量介于10 TeV至普朗克尺度的UHDM候选者代表了一个广阔且尚未被充分探索的暗物质参数空间，具有丰富的理论与现象学潜力。
• 当前及下一代直接探测实验（包括液态稀有气体与中微子探测器）由于其高反冲能量与低本底环境，对某些UHDM候选者具有探测灵敏度。
• 通过高能中微子、伽马射线与宇宙射线进行间接探测提供了互补路径，IceCube与HAWC等观测站已具备探测特定UHDM衰变通道的能力。
• UHDM的理论模型包括基本粒子、复合态、孤子态以及原初黑洞衰变的遗迹，各类模型具有独特的现象学特征。
• 在标准银晕假设下，普朗克尺度UHDM的事件率估计约为每年每平方米1个事例，使得直接探测虽具挑战性但并非不可能。
• 本论文指出迫切需要开发新型探测器技术（如超灵敏量子传感器与下一代液态稀有气体探测器），以实现对UHDM探测所必需的灵敏度。