[论文解读] Terrestrial WIMP/Axion astronomy

Ciaran A. J. O’Hare|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 1

一句话总结

本文提出，地面直接探测实验——尤其是方向性WIMP和轴子谐振腔实验——可为亚毫秒差距尺度下的本地暗物质晕结构提供独特且与模型无关的探测手段。研究表明，由于对相空间结构的敏感性，谐振腔在测量本地暗物质分布方面优于天体测量方法，尤其适用于轴子探测。

ABSTRACT

Predicting signals in direct dark matter (DM) detection experiments requires an understanding of the astrophysical structure of the local halo. Any uncertainty in this understanding will feed directly into all experimental results. However our terrestrial experiments are in a position to study this same astrophysical dependence, and in fact represent our only probe of the local halo on sub-milliparsec scales. This is best achieved in the case of WIMP dark matter if directionally sensitive experiments are feasible, but requires novel parameterizations of the velocity distribution to make model independent claims. For axions the prospects are much greater, haloscopes would be able to make better measurements of the local DM distribution than astrometric probes.

研究动机与目标

• 评估地面实验在亚毫秒差距尺度下探测本地暗物质晕结构的潜力。
• 评估方向性WIMP探测在实现对速度分布的与模型无关约束方面的可行性。
• 比较谐振腔与天体测量探测手段在测量本地暗物质分布方面的灵敏度。
• 为WIMPs开发新型速度分布参数化方法，以实现与模型无关的结论。
• 确立轴子谐振腔在测量本地DM结构方面优于天体测量方法的理论精度。

提出的方法

• 利用WIMP探测实验中的方向敏感性，探测小空间尺度下本地暗物质的速度分布。
• 提出新型速度分布参数化方法，以实现从WIMP数据中进行与模型无关的推断。
• 应用谐振腔技术探测轴子，利用其在谐振空腔中与光子的相干耦合特性。
• 比较谐振腔对本地暗物质相空间结构的分辨率灵敏度与天体测量方法的差异。
• 建模谐振腔中预期信号与本地暗物质密度和速度分布的关系。
• 评估谐振腔与天体测量技术在探测亚毫秒差距尺度晕结构时的理论分辨率极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 地面实验是否能为亚毫秒差距尺度下的本地暗物质晕结构提供独特约束？
• RQ2 WIMP实验中的方向敏感性如何实现对速度分布的与模型无关的推断？
• RQ3 谐振腔在测量本地暗物质分布方面，能在多大程度上优于天体测量探测手段？
• RQ4 为实现WIMP探测中稳健且与模型无关的结论，需要何种速度分布的参数化方法？
• RQ5 谐振腔在探测本地暗物质晕中精细结构时，其理论分辨率极限是什么？

主要发现

• 方向性WIMP实验可在亚毫秒差距尺度上探测本地暗物质晕，为小尺度结构提供了独特的地面观测窗口。
• 新型速度分布参数化方法使WIMP探测中的与模型无关的结论成为可能，降低了对天体物理假设的依赖。
• 轴子谐振腔在理论上具备比天体测量方法更高的精度来测量本地暗物质分布。
• 谐振腔在解析本地暗物质晕中精细的相空间结构方面优于天体测量探测手段。
• 与当前天体测量技术相比，使用谐振腔可更精确地约束本地暗物质速度分布。
• 地面实验是目前唯一可行的在亚毫秒差距尺度下探测本地晕的方法，尤其适用于轴子。