[论文解读] Snowmass2021: Vera C. Rubin Observatory as a Flagship Dark Matter Experiment

Yao-Yuan Mao, Annika H. G. Peter+31 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Scientific Research and Discoveries被引用 6

一句话总结

本文提出应正式将薇拉·C·鲁宾天文台的宇宙深度巡天（LSST）认定为旗舰级暗物质实验，利用其大视场巡天能力，实现对暗物质的变革性天体物理探测。通过将暗物质科学研究整合到现有的LSST基础设施与合作网络中——尤其是通过LSST暗能量科学合作组织（LSST Dark Energy Science Collaboration）——该方法在几乎不增加额外成本的前提下，最大化科学产出，同时指导并补充地面暗物质实验。

ABSTRACT

Establishing that Vera C. Rubin Observatory is a flagship dark matter experiment is an essential pathway toward understanding the physical nature of dark matter. In the past two decades, wide-field astronomical surveys and terrestrial laboratories have jointly created a phase transition in the ecosystem of dark matter models and probes. Going forward, any robust understanding of dark matter requires astronomical observations, which still provide the only empirical evidence for dark matter to date. We have a unique opportunity right now to create a dark matter experiment with Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST). This experiment will be a coordinated effort to perform dark matter research, and provide a large collaborative team of scientists with the necessary organizational and funding supports. This approach leverages existing investments in Rubin. Studies of dark matter with Rubin LSST will also guide the design of, and confirm the results from, other dark matter experiments. Supporting a collaborative team to carry out a dark matter experiment with Rubin LSST is the key to achieving the dark matter science goals that have already been identified as high priority by the high-energy physics and astronomy communities.

研究动机与目标

• 倡导正式将鲁宾天文台认定为旗舰级暗物质实验，以确保持续的资金支持和组织保障。
• 强调来自大视场巡天（如LSST）的天体物理观测是当前唯一实证证据，证明暗物质的存在，因此对理解其基本性质至关重要。
• 证明在现有LSST框架内开展暗物质研究，可通过共享基础设施、分析流程和专业技术，最大化科学产出。
• 通过提供关键约束并指导参数空间探索，加强天体物理巡天与地面暗物质实验（直接探测、间接探测、对撞机实验）之间的协同作用。
• 在LSST内建立一个协作性、以社区为主导的暗物质科学研究计划，确保长期稳定性和科学影响力。

提出的方法

• 在LSST暗能量科学合作组织（DESC）内提出一项协调一致、大规模的暗物质科学研究计划，将暗物质研究整合到现有巡天运行中。
• 利用LSST的大视场、深空和多历元成像巡天，开展对暗物质的天体物理探测，包括弱引力透镜效应、星系团动力学和潮汐流分析。
• 利用为暗能量科学开发的现有像素级和系统误差建模基础设施，实现高保真度的暗物质分析，几乎无需额外投入。
• 整合粒子物理与天体物理学界在理论建模、模拟和数据分析流程方面的资源，以多样化暗物质候选者（超越WIMPs）的视角解释LSST数据。
• 在能源部（DOE）框架内设立专门的暗物质科学研究资助渠道，参照成功的暗能量科学项目模式，确保长期稳定与合作。
• 推动LSST DESC暗物质工作组与其他主要暗物质实验之间的跨合作，对齐目标并共享方法论进展。

Figure 1: A reproduction of Table 1 of the 2014 Report of the Particle Physics Project Prioritization Panel, “Building for Discovery: Strategic Plan for U.S. Particle Physics in the Global Context.” The red circle highlights the lack of recognition that dark matter is a strong science driver for Rub

实验结果

研究问题

• RQ1 如何正式将鲁宾天文台的LSST巡天指定为旗舰级暗物质实验，以确保持续的科学与财政支持？
• RQ2 利用大视场天体物理巡天（如LSST）探测暗物质性质的科学价值是什么，特别是在地面实验无法触及的参数空间区域？
• RQ3 在LSST中，现有暗能量科学基础设施与分析流程在多大程度上可被重新用于实现高精度暗物质测量，且增量成本极低？
• RQ4 LSST暗物质科学研究如何通过提供实证约束和理论指导，补充并引导直接探测、间接探测及对撞机实验？
• RQ5 何种组织与资助模式可确保粒子物理、天体物理与宇宙学界长期稳定协作，以最大化LSST的科学产出？

主要发现

• 鲁宾天文台的LSST巡天凭借其大范围、深空和时域巡天能力，具备独特优势，可作为旗舰级暗物质实验，实现变革性天体物理探测。
• LSST将探测此前无法触及的暗物质参数空间区域，包括与轴子样粒子和自相互作用暗物质相关的区域。
• LSST在暗能量科学方面的现有投入已包含关键基础设施，如系统误差建模、像素级校准和复杂分析流程，可直接用于暗物质研究。
• 将暗物质科学研究置于LSST DESC框架内，可确保科学协同效应，减少重复工作，并以极低的增量成本最大化现有投资回报。
• LSST的天体物理观测是当前唯一实证证据，证明暗物质的存在，因此是任何全面暗物质研究计划中不可或缺的组成部分。
• 对LSST内暗物质研究计划的正式认可与稳定资助，将显著提升天文台的科学产出，并强化更广泛的暗物质实验生态系统。

Figure 2: An example “dark matter flowchart” showing all the needed elements to constrain dark matter properties from LSST data for the measurement of satellite systems beyond the Local Group. This complex flowchart highlights the need for a collaborative team and organizational and funding support.