Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Observational Facilities to Study Dark Matter
我们提出了一个概述未来的观测设施，将大大提高我们的理解的基本性质的暗物质。这些设施涵盖一系列观测技术，包括光学/近红外成像和光谱学、宇宙微波背景测量、脉冲星计时、高红移中性氢21厘米观测以及引力波测量。这些设施是揭示暗物质性质的多管齐下的实验计划的关键组成部分，同时经常提供暗能量，中微子物理和膨胀的补充测量。
2022-03-11 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Enhanced long-lived dark photon signals at lifetime frontier detectors
本文研究新暗光子模型中隐藏辐射过程对长寿命暗光子信号的增强作用，评估FACET、FASER、MATHUSLA和CMS-MTD等寿命前沿探测器的探测能力，发现该过程显著扩大可探测参数空间，且不同探测器具有互补性。
2023-12-23 hep-ex hep-ph
Inelastic Dark Matter at the LHC Lifetime Frontier: ATLAS, CMS, LHCb, CODEX-b, FASER, and MATHUSLA
在束流收集器、固定靶和对撞机实验中，人们已经广泛地寻找来自光的衰变的可见信号--长寿命的隐藏扇形粒子。如果这样的隐藏扇区通过比$\sim 10$ GeV重的介质耦合到标准模型，那么它们在低能加速器中的产生就会受到运动学上的抑制，从而留下大量可行的参数空间。我们在非弹性暗物质模型中研究了这种情况，这些模型在各种现有和拟议的LHC实验中产生了可见信号，如ATLAS，CMS，LHCb，CODEX-b，FASER和MATHUSLA。这些实验可以利用大型强子对撞机的大质心能量，从宇宙学激发的$\sim 1-100$ GeV质量范围内的暗光子衰变中产生GeV尺度的暗物质。我们还提供了一个详细的计算辐射暗物质-核子/电子弹性散射截面，这是相关的估计率在直接检测实验。
2018-10-03 hep-ex hep-ph
Snowmass 2021 Cross Frontier Report: Dark Matter Complementarity (Extended Version)
本文概述了Snowmass 2021各前沿合作制定的暗物质发现路线图，强调利用技术互补性的强有力实验组合是解决暗物质问题的关键。
2024-07-23 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Braneworld Cosmological Effect on Freeze-in Dark Matter Density and Lifetime Frontier
在5维膜世界宇宙学中，我们在膜上的4维宇宙的弗里德曼方程在高温下被修改，而标准的大爆炸宇宙学在低温下被复制。基于Randall-Sundrum和Gauss-Bonnet两种著名的膜世界宇宙论，我们研究了膜世界宇宙论对非热暗物质粒子的残余密度的影响，该粒子与标准模型粒子的相互作用非常弱，其残余密度由冻结机制决定.对于早期宇宙中的暗物质产生过程，我们假设一个简单的场景，其中有一个光矢量-玻色子介质，用于暗物质粒子与标准模型粒子进行通信。我们发现，膜世界宇宙学效应可以极大地改变标准大爆炸宇宙学中产生的暗物质遗迹密度。作为应用，我们考虑了以轻$B-L$规范玻色子（$Z^\prime$）为介质的最小$B-L$扩展标准模型中的右手中微子暗物质.我们发现膜世界宇宙学效应的影响，寻找长寿的$Z^\prime$玻色子在计划/拟议的寿命前沿实验。
2019-11-13 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Cosmic Frontier Indirect Dark Matter Detection Working Group Summary
作为Snowmass过程的一部分，宇宙前沿间接探测小组（CF2）借鉴了宇宙前沿和更广泛的粒子物理学社区的投入来制作这份文件。本报告的目的是通过间接探测确定暗物质科学的机会，概述间接搜索暗物质的主要科学驱动因素，并调查当前和计划中的实验，作为其科学计划的一大部分，目标是搜索暗物质的间接（或天体物理）特征。我们主要讨论美国发挥重要作用的现有实验，或寻求美国贡献的未来实验。我们还解决了这种技术的局限性，并回答了HEP社区通过Snowmass过程提出的与该亚组相关的棘手问题。
2013-10-25 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
First-Principles Nuclear Modeling for Light Dark Matter Experiments at the Intensity Frontier
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
该研究针对强度前沿轻暗物质实验，采用多体从头算方法结合手征有效场论，计算三种核的轻暗物质信号率，发现准弹性处理可使信号产额最多提升两个数量级。
2026-08-28 hep-ex hep-ph nucl-th
Pushing the frontier of WIMPy inelastic dark matter: journey to the end of the periodic table
我们探讨了达到低背景实验的少量重核同位素在探测非弹性暗物质的参数空间，是经典的直接检测实验运动学上无法访问。通过与目标核的非弹性散射，暗物质可以通过核反冲或核激发产生信号。我们提出了新的结果基于这种方法，使用低能量伽马量子搜索的数据在低背景实验中与Hf和Os金属样品，和测量与CaWO $_4$和PbWO $_4$晶体作为测量辐射热计。我们把新的界限WIMPY非弹性暗物质的质量分裂约640千电子伏，并提供预测达到未来的实验。
2021-11-10 hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Puzzling Excesses in Dark Matter Searches and How to Resolve Them
在许多天体物理和地球环境中观察到了超过预期背景的有趣信号，这些信号可能具有暗物质的起源。天体物理学上的过剩包括费米伽马射线太空望远镜探测到的银河系中心GeV伽马射线过剩，AMS反质子和正电子过剩，以及511和3.5 keV X射线线。直接探测过量包括DAMA/LIBRA年度调制信号、XENON 1 T过量和固态探测器中的低阈值过量。我们讨论了解决这些过度行为的途径，以及该领域在未来几年可以采取的行动。
2022-03-14 astro-ph.HE hep-ex hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier CF6 White Paper: Multi-Experiment Probes for Dark Energy -- Transients
这份受邀的Snowmass 2021白皮书强调了天文瞬变联合分析在推进HEP科学方面的力量，并介绍了可以实现当前和即将到来的项目所带来的机会的研究活动。感兴趣的瞬变包括引力波事件、中微子事件、强透镜类星体和超新星，特别是Ia型超新星。这些瞬变可以作为宇宙中宇宙学距离的探测器，也可以作为极强引力、高能物理学的宇宙实验室。联合分析是指需要多个实验或设施进行重要协调的工作，因此包括多信使天文学和光学瞬态发现以及分布式后续计划。
2022-10-04 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Snowmass2021 Cosmic Frontier: Synergies between dark matter searches and multiwavelength/multimessenger astrophysics
本白皮书重点介绍在暗物质搜索中遇到的天体物理系统学。通常在间接和直接的暗物质搜寻中，天体物理系统学是对暗物质敏感性的主要限制因素。正如暗物质搜索有多种形式一样，背景也有多种形式。我们试图涵盖在暗物质搜索中产生的主要系统学，使用光子-无线电和伽马射线-宇宙射线，中微子和引力波。例子包括宇宙信使的天体物理来源及其相互作用，可以模仿暗物质的签名。反过来，这又取决于在理解宇宙环境-气体分布、磁场配置-以及相关的核天体物理学方面的相应研究。我们也涵盖了天体物理学的管理天体和星系用于探测暗物质，从黑洞到矮星系。最后，我们涵盖了天体物理学的背景探测的暗物质的分布和运动学，影响了广泛的暗物质的研究。在未来，多信使天文学的兴起，以及将其用于暗物质的新分析方法，将提供各种战略方法来继续增强我们对天体物理背景的理解，以提高对暗物质的敏感性。
2022-03-13 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
Exploring the dark matter inelastic frontier with 79.6 days of PandaX-II data
我们在这里报告的搜索结果的非弹性散射的暗物质（初始和最终状态的暗物质粒子的区别是一个小的质量分裂）与核子的第一个79.6天的PandaX-II数据（运行9）。我们设置的上限为自旋无关的WIMP核子散射截面高达300 keV/c $^2$的质量分裂在两个基准暗物质质量为1和10 TeV/c $^2$。
2017-10-03 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Correlated Signals at the Energy and Intensity Frontiers from Nonabelian Kinetic Mixing
我们表明，当暗阿贝尔规范部门和SU $(2)_{L}$动力学混合，它必然产生的动力学混合强度和质量之间的关系的调解粒子。值得注意的是，这种对应关系将弱标度直接映射到现代固定目标实验和下一代香料工厂正在探索的动力学混合强度。这说明了在LHC上发现新粒子和在强度前沿实验上发现暗光子的可能性。为了激发场景，我们构建了一个简单的模型，并探讨其现象和限制。
2016-08-30 hep-ex hep-ph
Strongly-interacting massive particle and dark photon in the era of intensity frontier
强相互作用大质量粒子（SIMP）是暗物质（DM）的一个有趣的候选者，因为它的自相互作用截面可以自然地强到足以解决小尺度结构形成的天体物理问题。通过假设一个非线性凝聚，提出了一个简单的模型，其中复合SIMP来自“强相互作用”U（1）$_{\rm d}$规范理论.在原始模型中，DM遗迹丰度由$3\to2$湮灭过程通过Wess-Zumino-Witten项确定。在这封信中，我们讨论了DM遗迹丰度也是通过超荷规范玻色子和暗U（1）$_{\rm d}$规范玻色子（暗光子）之间的动力学混合的半湮灭过程自然确定的。在不久的将来，可以通过LDMX式的丢失动量实验发现暗光子。
2020-06-04 astro-ph.CO hep-ph
Implications of mixed axion/neutralino dark matter for the Cosmic Frontier: a Snowmass whitepaper
如果我们同时使用超对称解来解决规范层次问题和PQ解来解决强CP问题，那么我们可能会期待混合的轴子/中性伴暗物质（DM），即两个暗物质粒子。在这种情况下，暗物质的产生包括轴子的振荡产生、热中性伴子和非热中性伴子的产生以及轴子和轴子的热中性伴子和非热中性伴子的产生。后一种粒子可能会将额外的中性伴子送入宇宙汤中，或者通过额外的熵产生来稀释所有的遗迹，或者将暗辐射送入宇宙。根据超对称性和PQ模型，PQ尺度可以很容易地存在于10^9-10^{16} GeV之间。轴子可能远远超出目前实验所探测的范围。在遗留的WIMP的情况下，理论预测必须重新调整的可能性，WIMP只包括一小部分的本地DM丰度。
2013-06-17 astro-ph.CO hep-ph
Dark Kinetic Heating of Neutron Stars and An Infrared Window On WIMPs, SIMPs, and Pure Higgsinos
我们确定了一个很大程度上独立于模型的暗物质与核子和电子的相互作用的签名。星系晕中的暗物质，在引力作用下加速到光速的一半以上，向中子星散射，并将动能储存到中子星中，将中子星加热到红外黑体温度。由此产生的辐射可能会被詹姆斯韦伯太空望远镜，三十米望远镜或欧洲极大望远镜探测到。这种机制也会产生星系核球中中子星的光辐射，以及星系中心附近的X射线辐射，因为这些区域的暗物质密度更大。对于GeV-PeV质量的暗物质，暗动力学加热最初会暴露任何自旋无关或自旋相关的暗物质-核子截面超过$2 \times 10^{-45}$ cm $^2$，在更多的望远镜曝光后，灵敏度会提高。对于轻于GeV的暗物质，由于泡利阻塞，截面灵敏度与暗物质质量成反比;对于重于PeV的暗物质，由于需要多个散射体来捕获，截面灵敏度与质量成线性比例。未来对暗区加热的中子星的观测可以确定暗物质是在中子星中湮灭还是仅仅动力学加热。由于在相对论性的核子散射中会发生高达几个GeV的非弹性态间跃迁，因此也可以发现像纯希格斯玻色子那样难以捉摸的非弹性暗物质。
2017-04-05 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
Dark Matter interpretation of the neutron decay anomaly
我们在标准模型中加入了一个新的费米子$χ$，它的重子数最小为1/3。中子衰变$n \to χχχ$到非相对论性$χ$可以解释中子衰变异常，与来自中子星的边界相一致。$χ$可以是暗物质，它的宇宙学丰度可以由冻结在$T \sim m_n$中占主导地位的物质产生。相关的过程$n \to χχχγ$，氢衰变${\rm H}\to χχχν(γ)$和DM诱导的中子消失$\barχn \to χχ(γ)$的速率低于实验范围，可以为未来的实验感兴趣。
2022-03-18 astro-ph.HE hep-ex hep-ph
Neutron star observations of pseudoscalar-mediated dark matter
由于局部暗物质速度v ~ 0.001 c的幂抑制了速率，因此在直接检测实验中发现由伪标量介导的暗物质和标准模型状态之间的散射相互作用通常具有挑战性。然而，它们可以在中子星的暗物质引起的加热中观察到，中子星陡峭的引力势通过将下落的粒子加速到半相对论速度来防止这种抑制。我们调查这种现象的背景下，两个特定的，自洽的情况下耦合到暗物质的伪标量，并比较中子星加热的敏感性，从直接搜索的介质和暗物质的界限。第一种“较轻”的情况是由一个类轴子粒子（ALP）介导的低于10 GeV质量的暗物质组成，而第二种“较重”的情况是由一个暗赝标量介导的高于10 GeV的暗物质，该暗赝标量与来自两个希格斯双重态的赝标量混合（所谓的2 HDM +a模型）。在这两个框架中，我们表明，即将测量的中子星将能够测试伪标量介导的暗物质超出了直接暗物质搜索以及边界的介质从味观测，束流转储实验，高能对撞机。
2022-07-05 astro-ph.HE hep-ex hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Probing dark matter with small-scale astrophysical observations
目前对暗物质的理解主要来自于对宇宙中总物质含量的测量，来自于引力物质在非常大尺度上的分布，以及来自于次星系尺度上的旋转曲线和速度色散。然而，小尺度结构很可能是解开宇宙中仍然神秘的85%物质的粒子物理学的关键。利用下一代引力波探测器和先进的天体测量仪器提供的大量高精度测量数据，将有可能对新粒子和暗物质进行新型小尺度天体物理探测。宇宙微波背景和大尺度结构调查将提供互补的限制暗物质模型与独特的小尺度签名。我们列出了小尺度结构和致密物体作为暗物质探测器的研究，并总结了实现目标的要求。
2022-07-14 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Planning the Future of U.S. Particle Physics (Snowmass 2013): Chapter 4: Cosmic Frontier
这些报告介绍了2013年美国物理学会粒子与场分部（“斯诺马斯2013”）关于美国粒子物理学未来计划的社区夏季研究的结果。第4章，关于宇宙前沿，讨论了与宇宙学和早期宇宙相关的研究计划。这一领域包括对暗物质的研究及其粒子性质的探索，对暗能量和暴胀的研究，以及对基本对称性的宇宙探测。
2014-01-23 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
Discovery Prospects for a Minimal Dark Matter Model at Cosmic and Intensity Frontier Experiments
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of California Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
该研究探讨了最小暗物质模型在宇宙和强度前沿实验中的探测前景，指出未来实验在不同场景下对暗光子的探测能力互补，且在某些条件下仍可能发现暗光子。
2026-01-28 hep-ph
Annihilation signatures of neutron dark decay models in neutron oscillation and proton decay searches
我们指出，两个模型，调和中子寿命异常通过暗衰变的中子，也预测暗物质-中子（$\barχ-n$）湮灭，可以观察到的中子-反中子振荡和质子衰变搜索在超级神冈，超级神冈和沙丘。我们研究了$\barχn\to γπ^0$（或多$π^0$）和$\barχn\to ϕγπ^0$（或$ϕ+$多$π^0$）的签名，其中$ϕ$是两种模型中的一种几乎无质量的玻色子。
2019-08-23 hep-ex hep-ph
Dynamical Dark Matter, MATHUSLA, and the Lifetime Frontier
Mathusla是欧洲核子研究中心提出的一种表面探测器，它能够观察非强子电中性长寿命粒子（LLP）的衰变，几乎没有背景或触发限制。这将允许MATHUSLA探测亚GeV到TeV的质量和高达$cτ\sim 10^7~{\rm m}$的寿命。Mathusla可以在探测涉及扩展隐藏扇区的暗物质场景中发挥重要作用，其中额外的暗态通常表现为LLP。动态暗物质（DDM）框架提供了这种情况的一个主要例子，它本质上产生了大量的暗态，表现出广泛的质量和寿命。在本文中，我们研究在何种程度上MATHUSLA可以探测DDM参数空间，我们证明，MATHUSLA可能能够提供直接确认某些独特的方面的DDM框架，这可能是难以探测在其他方面。
2019-01-01 hep-ph
Bulk viscosity from neutron decays to dark baryons in neutron star matter
Iowa State University（爱荷华州立大学）；Indiana University（印第安纳大学）
研究中子衰变至暗核子对中子星并合过程中输运的影响，发现暗核子使方程状态降低，从而减少 Urca bulk 黏性，但若衰变更快则可能增强黏性并抑制振荡。
2026-04-16 astro-ph.HE hep-ph nucl-th
Heating Neutron Stars with Inelastic Dark Matter and Relativistic Targets
本文研究中子星捕获非弹性暗物质产生的加热效应，推导了相对论性非弹性散射的最大质量间隙解析式并计算捕获率，发现中子星约束优于地面探测，是寻找暗物质的重要靶标。
2023-01-20 astro-ph.HE hep-ph
A simulation-based study of the neutron backgrounds for NaI dark matter experiments
在对弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质的直接搜索实验中，DAMA实验观察到一个被解释为WIMP相互作用的年度调制信号，其显著性为9.2 $σ$。最近，Jonathan Davis认为DAMA调制可以用μ子和中微子共同引起的中子散射事件来解释。我们试图在Gran Sasso和Yangyang实验室模拟有和没有聚乙烯屏蔽的中子背景，以量化环境中子对基于晶体的直接探测实验的影响。
2015-03-26 astro-ph.IM hep-ex hep-ph
A Stringent Limit on the Warm Dark Matter Particle Masses from the Abundance of z=6 Galaxies in the Hubble Frontier Fields
我们表明，最近测量的紫外光度函数的超暗透镜星系在z= 6的哈勃前沿领域提供了一个前所未有的探测质量m_X的暖暗物质候选人独立于重子物理。将最暗星系的丰度与WDM宇宙学中暗物质晕的最大数密度进行比较，在1-sigma置信水平下，热遗迹WDM粒子的质量有一个鲁棒的极限m_X> 2.9 keV，在2-sigma置信水平下，m_X> 2.4 keV，在3-sigma置信水平下，m_X> 2.1 keV。这些构成了迄今为止独立于星系形成所涉及的重子物理学的WDM粒子质量的最严格的约束。我们讨论了我们的结果对不育中微子产生机制的影响。特别是，如果不育中微子是负责的3.5 keV线在X射线团的观测报告，我们的结果坚定地排除了Dodelson-Widrow生产机制，和产量m_{sterile} > 6.1 keV的不育中微子通过Shi-Fuller机制产生。
2016-06-10 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Neutron stars with spin polarized self-interacting dark matter
暗物质是宇宙的重要组成部分，它可以影响中子星中的可见物质。暗物质的一个重要物理特征是由于暗物质粒子的自旋。本文应用中子星物质的分段多方状态方程和自旋极化自相互作用暗物质的状态方程，研究了自旋极化自相互作用暗物质对中子星结构的影响.考虑了不同暗物质自旋极化和暗物质粒子相互作用值的中子星物质和暗物质部分的行为。此外，我们提出的价值的引力红移的这些恒星在不同的情况下，自旋极化和自相互作用的暗物质。
2018-04-18 astro-ph.HE astro-ph.SR hep-ph
Neutrino and Gamma-Ray Signatures of Inelastic Dark Matter Annihilating outside Neutron Stars
本研究提出中子星外非弹性暗物质湮灭的新搜寻方案，分析银心中子星族群的相关信号，利用H.E.S.S.观测设置暗物质-核子非弹性截面约束，并预测未来望远镜的探测灵敏度。
2024-04-15 astro-ph.HE hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Ultraheavy particle dark matter
本文概述了质量介于10 TeV至普朗克尺度的超重暗物质候选粒子的搜索机遇与挑战，强调现有及新探测技术在未来十年内的贡献，并呼吁发展新分析方法和超高灵敏度探测器技术。
2023-04-27 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper:Primordial Black Hole Dark Matter
本白皮书探讨原初黑洞暗物质观测搜寻的科学动机、现状与未来范围，指出多机构支持的未来设施将提升探测灵敏度，需配套分析流程与理论建模，该研究低成本高回报且影响重大。
2022-07-01 astro-ph.CO hep-ph
Testing dark decays of baryons in neutron stars
我们表明，观察质量大于一个太阳质量的中子星放置任何外来的中子衰变模式，可以解释之间的差异束和瓶测量的中子寿命的严格要求。如果中子可以衰变为稳定的、弱相互作用的暗费米子，那么中子星的最大可能质量是0.7个太阳质量，而所有测量良好的中子星质量都超过一个太阳质量。因此，$2 M_\odot$中子星的存在表明，任何超越标准模型的中子寿命之谜的解释都需要暗物质是具有高度约束相互作用的多粒子暗扇区的一部分。
2018-07-09 astro-ph.HE hep-ph nucl-th
Searching for Dark Matter with Neutron Star Mergers and Quiet Kilonovae
我们确定了新的天体物理学特征的暗物质，内爆中子星（NS），这可以决定性地测试是否NS内爆暗物质是负责失踪的恒星在银河系中心，一些$r$过程元素的来源，和快速射电暴的起源。首先，NS坍缩的暗物质在中子星内部形成$\sim 10^{-10}$太阳质量或更小的黑洞，这些黑洞将中子星转化为$\sim$ 1.5太阳质量的黑洞。这减少了LIGO/Virgo（LV）所看到的中子星合并的数量，以及DES，BlackGEM和ZTF等望远镜所看到的相关合并千新星的数量，而是产生了包含$\sim$ 1.5太阳质量黑洞的“黑色合并”。第二，由暗物质引发的中子星内爆可能会产生一种新的千诺瓦，这种千诺瓦缺乏可探测的、伴随的引力信号，我们称之为“安静的千诺瓦”。“使用DES数据和银河系的r过程丰度，我们限制了安静的千新星。第三，星系中中子星并合kilonovae和宁静kilonovae的空间分布可用于探测暗物质。NS坍缩的暗物质摧毁了盘状星系中心的大多数中子星，因此中子星合并千新星在大半径处大多会出现在一个甜甜圈中。我们发现，只有10个中子星合并kilonova事件，位于$\sim$ 1千秒差距的精度可以验证或排除暗物质引起的中子星内爆在$2 σ$信心，探索暗物质-核子截面4-10个数量级低于目前的直接检测实验极限。同样，NS坍缩的暗物质作为快速射电暴的来源，可以在$2 σ$置信度下进行测试，一旦20个爆发被C…
2018-03-20 astro-ph.HE hep-ph
Heating neutron stars with GeV dark matter
老中子星（NS）可能捕获晕暗物质（DM），并被沉积的动能加热，因此表现得像一个热DM探测器，对广泛的DM质量和各种DM-夸克相互作用敏感。不久的将来，红外望远镜将测量NS温度下降到几千开尔文和探测NS加热DM捕获。我们专注于GeV质量狄拉克费米子DM（这是超出了目前DM直接检测实验）的情况下，DM捕获率可以饱和的几何限制。具体而言，我们研究了（1）一个模型，调用暗衰变的中子来解释中子寿命异常，（2）DM的框架耦合到夸克通过矢量流门户。在中子暗衰变模型中，NS可以具有大量的DM布居，使得即使DM-中子散射截面很小，DM俘获率也可以通过DM自相互作用达到几何极限。我们发现NS加热有更大的灵敏度比多π介子签名在大型地下探测器的中子暗衰变模型，和子GeV的伽马射线签名的夸克矢量门户模型。
2020-06-24 astro-ph.HE astro-ph.SR hep-ex
Warming Nuclear Pasta with Dark Matter: Kinetic and Annihilation Heating of Neutron Star Crusts
中子星是下一代暗物质绝佳的热侦测器，在其深引力阱中加速到相对论速度的暗物质的散射和湮灭会加热中子星。然而，中子星核心的动力学是不确定的，这使得目前很难明确计算该区域的暗物质散射。另一方面，中子星外层的物理学，地壳，更有力地理解。我们发现，仅与低密度地壳散射的暗物质仍然会将中子星动力学加热到未来望远镜可探测到的红外温度。我们发现，对于自旋无关和自旋相关的散射核子，地壳只有横截面的灵敏度是$10^{-43} - 10^{-41}$ ~cm $^2$的暗物质质量为100兆电子伏$-$ 1 PeV，与最好的灵敏度所产生的暗物质散射地壳成分称为核面食（包括gagelchi，意大利面条，和千层面阶段）。对于质量从10 eV到1 MeV的暗物质，灵敏度为$10^{-39} - 10^{-34}$ ~cm $^2$，它是由地壳内中子超流体中激发集体声子模引起的。此外，对于任何$s$波或$p$波湮灭暗物质，我们表明，暗物质将有效地湮灭热化只是与中子星地壳，无论是否暗物质曾经与中子星核心散射。这意味着任何具有高达200 MeV非弹性质量分裂的电弱相互作用暗物质，包括希格斯玻色子，都能在中子星中有效湮灭。我们的结论是，中子星壳在中子星的暗物质散射和湮灭中起着关键作用。
2020-03-20 astro-ph.HE astro-ph.SR hep-ph
Dark matter interactions with muons in neutron stars
中子星包含大量的稳定μ子，这是由于大的化学势和简并电子。这使得它们成为捕获亲μ暗物质的独特容器，这些物质不与其他天体相互作用，包括地球及其直接探测实验。下落的暗物质可以通过动力学和湮灭两种方式加热中子星，这是未来红外望远镜可能观测到的。新的亲μ子暗物质物理模型可以很容易地被μ子扇区中现有的异常所激发，并与之联系起来，例如，反常磁矩或LHCb最近对$B\to Kμ^+μ^-$衰变中轻子味非普适性的暗示。我们研究了一个模型与暗物质下的本地$U(1)_{L_μ-L_τ}$收费的影响。
2019-08-27 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
Relativistic capture of dark matter by electrons in neutron stars
暗物质可以捕获中子星并将其加热到可观测的光度。我们研究了暗物质对高度简并电子的相对论散射。我们发展了一个洛伦兹不变量理论来计算暗物质的俘获几率，该理论考虑了目标粒子的相对论运动和泡利不相容原理。我们发现，实际的捕获概率可以是五个数量级大于使用非相对论方法估计。对于质量为$10~{\rm eV}\textup{--}10~{\rm PeV}$的暗物质，中子星的加热补充，可以比地面直接探测搜索更敏感。投影的灵敏度区域表现出的特点，表现出丰富的运动学和泡利之间的相互作用的DM-电子系统阻塞。我们的研究结果表明，古老的中子星可能是发现亲轻暗物质最有希望的目标。
2020-09-04 astro-ph.HE hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Dark Matter Physics from Halo Measurements
本文综述如何利用暗物质晕的丰度、密度分布、椭率和自旋等宏观观测约束微观暗物质粒子性质，并总结相关理论、实验方法与新机遇。
2023-04-25 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Novel neutron decay mode inside neutron stars
我们探讨的建议，中子寿命之谜可能会解决的中子衰变到暗物质的过程，n \rightarrow χχ，其中χ的质量的三分之一的中子。特别是，我们检查这样的衰变模式的中子星的性质的后果。与先前提出的衰变模式不同，为了满足对中子星质量和潮汐形变的约束，暗物质粒子之间不需要强排斥力。这项研究表明，在中子星的核心有热的暗物质的可能性，并提出了一个可能的机制，暗物质冷却，并检查中子衰变的可能信号，以这种方式在中子星的诞生后。
2022-08-25 astro-ph.HE hep-ph
Constraining Mirror Dark Matter Inside Neutron Stars
我们研究了中子星内部是普通物质和镜像暗物质混合物的可能性。这是一种可以根据充分研究的吸积机制（包括邦迪-霍伊尔机制）自然设想的情景。我们发现，在中子星模型中包含镜像暗物质降低了给定状态方程下中子星的最大质量，并且它降低了给定中子星的潮汐变形能力。这些一般特征意味着，给定一个状态方程，人们可以约束中子星中镜像暗物质的最大可行量，以始终满足现有的最大质量和潮汐变形约束。相反，使用潮汐变形测量来排除状态方程需要对中子星中包含的镜像暗物质的数量做出假设。最后，镜像暗物质的存在也改变了将中子星的潮汐变形性与其致密性联系起来的普遍关系。因此，在考虑外来模型（如本文所讨论的模型）时必须谨慎。
2020-11-05 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Double dark-matter admixed neutron star
中子星中的暗物质可以从其前身的一生中存在，也可以被这个紧凑的物体捕获。通过每一步进入中子星的暗物质的性质可能各不相同。在这里，我们研究了暗物质对中子星结构的影响。本文将二流体理论推广到三流体理论，并利用星系转动曲线的物态方程，研究了双暗物质混合中子星的结构。被认为是这些恒星的中子和暗物质部分的行为。此外，还研究了暗物质状态方程对可见光和暗物质贡献不同的恒星的影响。研究了这些恒星在不同暗物质状态方程下的引力红移。
2018-07-04 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
Cosmology and the Dark Matter Frontier
简要介绍了当前天体粒子物理学中的一些问题，重点是暗物质（DM）问题，其中与LHC物理学的联系特别强。来自普朗克卫星的新数据使支持DM存在的证据更加有力。最受欢迎的，但不是唯一的，宇宙学DM的候选者，弱相互作用大质量粒子（WIMPs），正在通过各种实验进行探测-通过地面探测器的散射直接探测，通过观察DM在银河系中湮灭的产物间接探测，最后在加速器如LHC上进行搜索。该领域正处于一个有趣的情况，所有这些搜索方法都达到了可能很快发现DM信号的敏感性，并且在未来几年内将探索大量模型。当然，人们对积极信号的期望很高，这就要求对“虚假警报”保持谨慎。一些目前令人困惑的和部分相互矛盾的证据DM检测进行了讨论，以及对未来的期望。
2013-09-27 astro-ph.CO hep-ph
Dark matter admixed neutron star properties in the light of gravitational wave observations: a two fluid approach
我们考虑了密度相关的暗物质对中子星质量、半径和潮汐形变的影响。核物质（正常物质）以及费米暗物质部门被认为是在一个平均场模型。采用双流体理论研究了暗物质对中子星性质的影响。在双流体图像中，暗物质与核物质之间没有直接的相互作用。相反，这两个扇区仅通过引力相互作用而相互作用。在“FSU 2 R”参数化中，核物质部分由$σ-ω-ρ$介子相互作用描述。在暗物质部分，我们使用贝叶斯参数优化技术来固定暗物质状态方程中的未知参数。在双流体模型下，通过求解耦合的TOV方程组，得到了暗物质混合中子星的质量和半径。我们还估计了密度相关的暗物质扇区对暗物质混合中子星（DANSs）潮汐形变的影响。
2020-11-02 astro-ph.HE hep-ph nucl-th
Dark halos around neutron stars and gravitational waves
我们发现，一类MeV-GeV暗物质的模型，其中暗物质的强烈相互作用可以通过观测中子星合并的引力波约束。微量的暗物质，无论是在超新星爆发期间产生的，还是后来的吸积，都可以改变中子星的结构，影响它们的潮汐极化率。我们专注于暗物质相互作用的光矢量规范玻色子耦合到一个保守的暗电荷的交换模型。在这些模型中，积累在中子星中的暗物质可以扩展到大半径，并增强它们的潮汐极化率。从第一颗双星中子星合并的GW 170817中探测到的引力波对这种不那么紧凑的物体施加了有用的限制。暗晕，如果存在的话，也预示着中子星潮汐极化率比普通中子星预期的变化更大。
2019-02-15 hep-ph
Prospects for Heavy WIMP Dark Matter Searches at Muon Colliders
总结暗物质模型约束的图可以帮助可视化同一种实验的不同搜索之间以及不同实验之间的协同作用。在这份白皮书中，我们提出了一个更新的欧洲战略简报书情节，从对撞机搜索的角度来看，在暗物质在能源前沿（EF10）斯诺马斯专题组，从未来的对撞机设施的输入开始。我们以目前使用暗物质工作组推荐的基准模型为LHC搜索绘制的图为起点，该工作组也用于欧洲战略简报书的BSM和暗物质章节。这些图也可以作为关于暗物质互补性的跨边界讨论的起点，并且可以作为这些讨论的结果进行更新。这是一份提交给APS Snowmass流程的EF10专题组白皮书。
2022-05-20 hep-ex hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Cosmology and Fundamental Physics from the three-dimensional Large Scale Structure
实验技术的进步使得在不久的将来以高保真度绘制高红移宇宙的三维图成为可能。这将使观测到的体积增加许多倍，同时提供前所未有的对非常大尺度的访问，这些尺度包含有关原始物理学的关键信息。最近发展的理论技术，以及在高红移的非线性的较小尺寸，允许重建的数量级更多的“原始模式”，并应提高我们的理解，通过测量原始的非高斯性和功能的原始功率谱的早期宇宙。除了探测加速膨胀的第一个时期外，这种测量还可以探测暗物质统治时代的暗能量密度，严格限制了广泛的动态暗能量模型。物质功率谱的形状本身就有可能探测到早期暗能量到$z \sim 10^5$的百分之几的分数，探测暗能量一直到宇宙只有几岁的时候。这些测量的精度，再加上CMB的观测，也有希望大大改善我们对相对论性物质的有效数量、中微子质量、空间曲率和引力滑移的限制。线性或准线性大尺度结构的研究与红移调查和CMB目前提供了我们最严格的宇宙学和基础物理的约束。推进红移和体积前沿将以一种易于预测和优化的方式提供有保证的、最先进的重大改进。
2022-09-09 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Implications of the recent neutron decay measurements on the properties of compact objects -- a dark star with nucleonic shell ?
该研究基于中子衰变中1%事件不发射质子的观测，提出衰变产生两个约半中子质量暗粒子的情景，并据此约束其质量与矢量暗玻色子耦合，预言具有核饱和密度核子壳层的暗星结构。
2025-07-23 astro-ph.HE hep-ph nucl-th
Ultralight dark matter searches at the sub-Hz frontier with atom multigradiometry
单光子原子梯度测量是一种研究超轻标量暗物质（ULDM）引起的原子跃迁能量振荡的强有力的实验技术。在亚赫兹制度的背景预计将占主导地位的重力梯度噪声（GGN），这是由于周围的实验质量波动。在这项工作中，我们模拟的GGN表面瑞利波，我们构建了一个基于似然性的分析，始终折叠GGN垂直原子梯度仪的灵敏度估计在1兆赫和1赫兹之间的频率窗口。我们表明，在某些地质环境中，GGN可以显着减轻时，操作的多梯度仪配置，其中包括三个或更多的原子干涉仪在同一基线。多梯度仪实验，如未来版本的AION和MAGIS-100，有可能探测区域的标量ULDM参数空间在亚赫兹制度，还没有被排除在现有的实验。
2023-03-06 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Capture of Electroweak Multiplet Dark Matter in Neutron Stars
如果暗物质与核子有相当大的散射截面，它就能有效地被中子星捕获。它的能量然后通过恒星内部的散射和湮灭以热量的形式转移到中子星。这种加热效应可以通过对附近古老恒星的专门温度观测来检测，为暗物质搜索提供了一种替代方法。在本文中，我们表明，对于电弱多重态暗物质，这种搜索策略可以探测参数区域，这是未来的暗物质直接探测实验所达不到的。为了系统地了解这一点，我们根据电弱电荷对此类暗物质候选物进行分类，并通过高维有效算符研究紫外物理的影响。然后，我们表明，如果紫外物理的影响是相当大的，暗物质核子弹性散射截面变得足够大，而如果它被抑制，那么DM多重态的组件之间的质量分裂得到足够小，使非弹性散射过程是可操作的。在任何情况下，电弱多重态暗物质粒子被有效地捕获在中子星中，使得对老中子星的温度观测的搜索策略很有希望。
2022-10-09 hep-ex hep-ph
Dynamical evolution of dark matter admixed neutron stars
我们第一次动态演化的暗物质混合中子星与费米子暗物质。这些系统是中子星的普通核物质和暗物质的混合物。为了执行我们的动态演化，我们推导出运动方程，在守恒形式，球对称系统与任意数量的完美流体。使用有限体积和高分辨率的激波捕捉方法，我们动态地发展的两个流体的情况下，第一流体模拟普通物质和第二流体模拟暗物质。我们使用我们的动态解决方案，研究非线性稳定性，径向振荡频率，和动态形成过程。
2022-01-06 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Searching for mirror neutrons and dark matter with cold neutron interferometry
提出一种新型冷中子干涉测量方案，通过理论分析表明若镜像中子存在，普通中子会因与镜像中子混合而获得可测量的几何相位，为探测暗物质候选者提供了新方法。
2025-03-04 hep-ph
Improved Treatment of Dark Matter Capture in Neutron Stars
中子星为研究暗物质粒子的性质及其相互作用提供了一个宇宙实验室。暗物质可以通过散射被中子星捕获，其中动能被转移到恒星。这可能会产生许多观测结果，例如将旧的中子星加热到红外线温度。捕获过程的先前处理采用了各种近似或简化。我们在这里提出了一个改进的治疗暗物质捕获，有效的广泛的暗物质质量范围内，正确地纳入所有相关的物理效应。这些包括引力聚焦，完全相对论散射处理，泡利阻塞，中子星不透明度和多次散射效应。我们提供的一般表达式，使精确的捕获率进行数值计算，并推导出简化的表达式，是有效的特定的相互作用类型或质量制度，大大提高了计算效率。我们的形式适用于任何中子星成分的暗物质的散射，或在其他紧凑的对象中的暗物质的捕获。
2020-09-16 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Dark decay of the neutron
中子进入暗物质和其他粒子的新衰变通道已经被提出来解释长期存在的中子寿命与飞行中衰变的中子寿命之间的差异。许多这样的情况已经被它们对中子星的影响排除了，衰变成暗物质加上光子的情况也已经被实验排除了。在这里，我们探讨了暗狄拉克费米子$χ$和暗光子$A'$的衰变，这可以与所有的限制，如果$χ$是一个次显性的组成部分的暗物质。如果暗光子质量与耦合比为$m_{A'}/g' \lesssim (45-60)\,$ MeV，则中子星约束被规避，这取决于核物质状态方程。$g'$以及U（1）$'$和电磁之间的动力学混合受到直接和间接暗物质探测、超新星约束和宇宙学极限的严格约束。
2018-07-12 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Realistic neutron star constraints on bosonic asymmetric dark matter
有人认为，老中子星的存在排除了非湮灭轻玻色子暗物质的可能性，例如在不对称暗物质的情况下产生的。如果非湮灭性的暗物质被中子星捕获，其密度最终将足以形成黑洞。然而，坍缩的动力学对暗物质的自相互作用非常敏感。排斥性的自相互作用，即使非常微弱，也能阻止黑洞的形成。我们认为，自我相互作用将必然存在，并估计其强度的代表性模型。我们还考虑了暗物质与核子的共湮灭，这在许多非对称暗物质模型中自然产生，并且再次起到防止黑洞形成的作用。我们演示了如何排除区域的暗物质参数空间收缩，这种相互作用的强度增加，并得出结论，中子星的观测不排除最现实的玻色子非对称暗物质模型。
2013-06-11 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
