Snowmass2021 Cosmic Frontier: Modeling, statistics, simulations, and computing needs for direct dark matter detection
Yonatan Kahn, Maria Elena Monzani, Kimberly J. Palladino, Tyler Anderson, Deborah Bard, Daniel Baxter, Micah Buuck, Concetta Cartaro, Juan I. Collar, Miriam Diamond, Alden Fan, Simon Knapen, Scott Kravitz, Rafael F. Lang, Benjamin Nachman, Ibles Olcina Samblas, Igor Ostrovskiy, Aditya Parikh, Quentin Riffard, Amy Roberts, Kelly Stifter, Matthew Szydagis, Christopher Tunnell, Belina von Krosigk, Dennis Wright, Tien-Tien Yu, Dan Akerib, Ray Bunker, Thomas Y. Chen, Graciela B. Gelmini, Doojin Kim, Jong-Chul Park, Tarek Saab, Rajeev Singh, Shufang Su, Yu-Dai Tsai, Shawn Westerdale
本文总结了未来十年直接暗物质探测实验的建模、统计、模拟和计算需求。
This paper summarizes the modeling, statistics, simulation, and computing needs of direct dark matter detection experiments in the next decade.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
The NMSSM at the Cosmic Frontier for Snowmass 2013
我们研究在宇宙前沿的后希格斯发现世界的NMSSM。对于与测量结果一致的DM遗迹丰度，我们发现中性伴子既可以是单伴子占优势，也可以是双伴子占优势。Wino和higgsino DM通常产生较低的丰度，但提供了在IceCube检测的机会。对于这两种情况下，未来SI直接检测实验涵盖了大部分的模型，包括几乎所有的比诺和higgsino的情况。
Snowmass Cosmic Frontiers 6 (CF6) Working Group Summary --The Bright Side of the Cosmic Frontier: Cosmic Probes of Fundamental Physics
CF 6工作组在Snowmass 2013上的报告。讨论的主题包括超高能宇宙射线、中微子、伽马射线、重子生成和探索时空基本性质的实验。
Snowmass Cosmic Frontier Report
本报告总结了宇宙前沿物理学的现状，以及作为2021年雪团过程一部分的宇宙前沿广阔而令人兴奋的未来前景。
Report of the Topical Group on Cosmic Frontier 5 Dark Energy and Cosmic Acceleration: Cosmic Dawn and Before for Snowmass 2021
本报告总结了Snowmass 2021 CF 5工作组关于暗能量和宇宙加速的设想研究活动：宇宙黎明及之前。科学目标是研究膨胀，并通过精确测量早期宇宙的残余辐射来寻找新的物理学。本十年（2025- 2035年）设想的研究活动是建造和运营主要设施，并开发关键的使能能力。这十年的主要设施是CMB-S4项目，一个新的第五阶段光谱测量设施，以及现有的引力波观测站。使能能力包括调整和投资于理论、计算和模型构建，并投资于未来十年（2035+）早期宇宙研究所需的新技术。
Low Background Materials and Assay - A Supplement to the Cosmic Frontier CF1 Summary
本白皮书是对CF 1（宇宙前沿WIMP直接探测）的Snowmass摘要的补充。它主要是在2013年8月的社区规划会议期间准备的，并依赖于从更大的暗物质社区收集的信息。这是对CF 1冲锋的更详细的回答：“确定满足暗物质直接探测的科学和技术目标所需的共同基础设施。“整个社区都认识到，对WIMP的敏感搜索需要识别，量化和采购放射纯材料。这一领域缺乏足够的资源是未来实验的一个主要项目风险，并可能限制科学研究的范围
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。
The strong interaction at the collider and cosmic-rays frontiers
在大型强子对撞机（LHC）的质子-质子碰撞中测量的包容性粒子生产的第一个数据进行比较，预测的各种强子相互作用Monte Carlos（QGSJET，EPOS和SIBYLL）通常用于高能宇宙射线物理。虽然合理的整体协议被发现的一些模型，没有一个再现一致的sqrt（s）的所有测量的观测量的演变。我们讨论了新的大型强子对撞机数据的影响，在强子-强子和宇宙射线相互作用的非微扰和半硬部分子动力学建模的最高能量的今天研究。
Exploring the lifetime and cosmic frontier with the MATHUSLA detector
安装在CMS相互作用点（IP）上方表面上的MATHUSLA探测器将覆盖$100\times 100$ m $^2$的区域，该区域包含许多层反射器平面，以建立带电粒子轨迹的空间和时间坐标。就尺寸和在$10^4$ m $^2$的面积上的连续灵敏度而言，这是前所未有的探测器。本文介绍了目前MATHUSLA探测器的概念，这是敏感的长寿命粒子在CMS和宇宙射线扩展空气簇射（EAS）的LHC碰撞中产生的。通过增加一个$10^4$ m $^2$层的RPC，具有类似于ARGO-YBJ实验的数字和模拟读出，显着提高宇宙射线研究的能力将重点讨论大天顶角EAS。
Frontiers in Cosmic Rays
这份特别报告员的评论涵盖了2003年7月在巴西里约热内卢举行的第10届马塞尔·格罗斯曼广义相对论会议的并行会议HEA 2（高能天体物理学2）上提出的选定结果。副主题是：超高能宇宙射线的各向异性，这些高能粒子与强大的伽马射线暴的可能联系，以及大气中强烈的中微子-核子相互作用的新的令人兴奋的情景。
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: High Density Galaxy Clustering in the Regime of Cosmic Acceleration
通过理论和模拟，对成像和光谱样本的联合研究为全面测试红移z<1.5的宇宙学模型提供了可能。在这些红移的光谱星系样本可以增加超过计划的暗能量光谱仪器（DESI）计划至少一个数量级，从而为这些联合研究提供更多的约束力。在2020年代后半期及以后对这些星系的光谱观测将利用这一领域的理论和模拟工作。反过来，这些高密度观测将允许增强对暗能量的测试，超越标准模型的物理学，以及中微子质量将大大超过目前可能的。在这里，我们提出了一个协调的程序的模拟，理论建模，和未来的光谱学，使精确的宇宙学研究在加速时代的暗能量的影响是最明显的。
Snowmass 2021 Underground Facilities for the Cosmic Frontier Topical Report
直接使用敏感的地下探测器探测暗物质是解决什么是暗物质问题的最有希望的方法之一。下一代地下实验将从两个方向寻找暗物质。一种是使用更大的目标质量探测器进一步探测WIMP参数空间中更小的截面，另一种是探测更低质量的暗物质，这需要具有极低阈值的新技术。一旦探测到暗物质，就需要进行方向灵敏度实验以及曝光时间更长、目标质量更大的实验，以获得与时间相关的特征，如年度调制，以验证其宇宙起源并进一步研究其性质。这份报告涵盖了下一代暗物质搜索实验所需的地下设施，包括惰性液体、低温测辐射热计和其他技术。
Snowmass 2013 Computing Frontier Storage and Data Management
综述了能量前沿、强度前沿、宇宙前沿、格点场论、微扰QCD和加速器科学的数据存储和数据管理需求。然后概述了数据存储技术和成本的前景，然后总结了数据，软件和物理分析能力保存的现状。HEP的前景进行了总结，指出未来的数据量可能会对什么是技术和财务上可行的应变。最后提出了特别注意和行动领域的建议。
Ultra high energy cosmic rays: the highest energy frontier
超高能宇宙射线（UHECR）是目前宇宙中能量最高的信使，其能量高达$10^{20}$ eV。对天体物理粒子（原子核、电子、中微子和光子）在其最高观测能量下的研究对基础物理学和天体物理学都有影响。初级粒子在大气中相互作用，产生广泛的空气簇射。对这些簇射的分析不仅使人们能够估计初级宇宙粒子的能量、方向和最可能的质量，而且还能够获得关于它们在比目前最高能量的人造加速器所能获得的能量高出一个数量级以上的能量下的强子相互作用的性质的信息。在这方面的贡献，我们将审查国家的最先进的UHECRs检测。我们将介绍皮埃尔俄歇天文台和望远镜阵列的主要实验，并讨论宇宙线能谱，方向各向异性搜索，质量组成的研究，确定簇射μ子的数量（这是对簇射强子相互作用敏感的）和质子-空气截面。
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。
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。
Snowmass 2021 Cosmic Frontier White Paper: Cosmology with Millimeter-Wave Line Intensity Mapping
使用大尺度结构的基础物理学和宇宙学的下一代测试需要对宇宙的大体积进行测量，包括目前调查无法达到的高红移。谱线强度测绘是一种新兴的技术，它可以探测原子和分子谱线的综合发射，而不需要分辨源，可以有效地绘制出大范围红移范围内的宇宙结构。在毫米波的观测探测远红外线发射线，如CO/[CII]，并利用CMB实验开发的观测和分析技术。这些测量可以提供前所未有的精确度的限制，在膨胀，中微子质量，轻相对论性物种，暗能量和修改的引力，和暗物质，以及许多其他科学目标的物理。在本白皮书中，我们预测了未来地基毫米波强度测绘实验的灵敏度要求，以实现变革宇宙学约束。我们概述了一个阶段性的实验计划，以稳步提高灵敏度，并描述了必要的投资，在开发检测器技术和分析技术。
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Future Gravitational-Wave Detector Facilities
下一代引力波天文台可以探索整个宇宙历史中的广泛的基本物理现象。这些现象包括进入整个宇宙时间的宇宙二元黑洞种群，进入独立于宇宙距离阶梯的宇宙膨胀历史，进入早期宇宙相变的随机引力波，进入强场和高速极限的扭曲时空，进入中子星和合并后密度的核物质状态方程，以及通过它们在极端天体物理环境中的相互作用或它们与探测器本身的相互作用而与暗物质候选物相关联。我们提出的引力波探测器的概念，可以驱动未来的引力波天体物理学。我们总结了必要技术的现状，以及在21世纪30年代建立这些天文台所需的研究。
Snowmass2021 Cosmic Frontier Dark Matter Direct Detection to the Neutrino Fog
我们提出了一个总结的直接探测暗物质的GeV/c2到TeV/c2质量范围内的未来前景。这与中微子雾的新定义相结合，以便更好地量化由于不可约中微子背景而导致的灵敏度收益递减率。一项对预测在这个质量范围内的暗物质候选者的调查表明，要全面测试多种动机良好的理论，就需要将目前资助的一代实验扩展到中微子雾并通过中微子雾。最后，我们将介绍下一代实验的现状和计划，以及将使我们实现目标的新研发概念。
Snowmass2021 Cosmic Frontier: The landscape of cosmic-ray and high-energy photon probes of particle dark matter
本白皮书讨论了对产生光子和宇宙射线的粒子暗物质过程敏感的实验的现状和前景。大部分的伽马射线天空仍然没有被探测到，其灵敏度可以使我们发现暗物质信号。目前运行的GeV-TeV天文台，如费米-LAT，大气切伦科夫望远镜和水切伦科夫探测器阵列继续瞄准银河系内外几个有希望的暗物质丰富的环境。不久，几个新的实验将继续探索，灵敏度提高，特别是天空中的扩展目标。本文回顾了几个近期和长期计划的伽马射线观测站，从兆电子伏的能量高达数百TeV。同样，X射线天空一直并将继续由有十年历史的天文台监测。即将到来的望远镜将进一步加强搜索，并为新的发现空间，例如，不育中微子和轴子-光子转换。此外，本概述讨论了目前正在运行的宇宙射线探测器和未来实验的前景，这些实验将澄清宇宙辐射中现有的持续异常，并引领可能的新发现。最后，文章结束了必要的截面测量，需要在对撞机进行，以减少大量的不确定性解释光子和宇宙射线测量空间的讨论。
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Calibrations and backgrounds for dark matter direct detection
未来的暗物质直接探测实验将达到前所未有的灵敏度。实现这种灵敏度将需要在未来的探测器中建立更精确的信号和背景速率模型。提高信号和背景建模的精度与新的校准技术密切相关，这些技术可以探测稀有过程和降低阈值检测器响应。本白皮书的目标是概述社区需要满足下一代暗物质直接探测实验的背景和校准要求。
Exploring the Frontiers of Cosmic Ray Physics: Perspectives on GRANDProto300 and the GRAND Project
本文介绍GRAND射电阵列及其探路者GP300，旨在以高精度探测超高能宇宙射线和中微子，实现能谱、成分与各向异性测量。
Snowmass2021 Cosmic Frontier: Report of the CF04 Topical Group on Dark Energy and Cosmic Acceleration in the Modern Universe
新千年的宇宙学观测极大地增加了我们对宇宙的理解，但一些基本问题仍然没有答案。这份专题小组报告描述了在未来几十年里通过将观测扩展到$z<6$宇宙来解决这些问题的最佳机会。在现代宇宙和暴胀时期，我们对宇宙加速的理解发生革命性变化的最大机会将由一个新的第五阶段光谱设备（Spec-S5）提供，该设备将结合大望远镜孔径，宽视场和高复用。这样的设施可以同时提供较低红移的密集星系样本，以提供小尺度结构增长的可靠测量，以及红移$2<z<5$的样本，以测量最大尺度的宇宙结构，跨越足够的体积来探测膨胀的原始非高斯性，以在广泛的尺度上搜索膨胀功率谱的特征，在探索不足的领域测试暗能量模型，并确定中微子的总质量和光遗迹的有效数量。在Spec-S5的同时，还应该在较小的规模上寻求一些引人注目的机会。分析DESI和LSST数据的科学合作将需要各种活动的资金，包括交叉调查模拟和综合分析。这些实验的结果可以通过更小的程序来获得补充数据，包括对超新星和光谱学的后续研究，以改善光度红移测量。最好的未来使用的维拉C。鲁宾天文台应该在第一次LSST分析完成后，在本世纪末进行评估。最后，对开拓者项目的投资可以使强大的新宇宙学探测器在未来几十年内上线。
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: 21cm Radiation as a Probe of Physics Across Cosmic Ages
21厘米线指的是中性氢的禁戒跃迁，与质子和电子的自旋对齐有关。这是一种非常低的能量跃迁，每当宇宙中有中性氢时就会发射。由于重子大部分（约75%）是氢，原则上可以在宇宙历史的大部分时间内检测到这种发射。在不同的宇宙年代，主要的发射机制是不同的。在光子与物质分离之前，氢处于电离状态，在21厘米内不会发射。在复合后的黑暗时代，在z ~ 30-1000处，21 cm的发射与中性氢介质中的密度波动有关。在第一批恒星开启和星系开始形成之后，21厘米的发射跟踪中性介质海洋中的电离氢气泡。这个时期，跨越z ~ 6-30，通常被称为宇宙黎明和再电离时期（EoR）。当红移低于z<6时，星系际介质大部分是电离的，但在致密的星系环境中会形成自屏蔽的中性气体口袋，21厘米辐射追踪星系的分布。巨大不同的发射机制使我们能够在不同的红移下探测非常不同的物理，对应于不同的观测频率。然而，仪器方面的挑战，即建造非常灵敏和精确校准的射电望远镜，在各个频段上有许多共同点。21厘米探测器的潜力已经被天文学和天体物理学十年调查所认可，其宇宙学小组将黑暗时代确定为其唯一的发现区域。我们认为，HEP应该认识到21厘米作为基础物理学在多个轴上的探测器的潜力，并投资于技术开发，以充分利用这一丰富的技术。
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。
Snowmass2021 Cosmic Frontier: Cosmic Microwave Background Measurements White Paper
这是一个征求白皮书的斯诺马斯2021年社区规划工作。本文着重于宇宙微波背景（CMB）的测量和科学。CMB是我们理解现代物理学的基础，并且仍然是推动我们理解宇宙学和粒子物理学的强大工具。在本文中，我们概述了未来十年CMB科学对高能宇宙前沿的广泛而独特的影响。我们还描述了地面CMB实验的进展，这表明，社会准备开发实现这些变革性的CMB测量所需的关键能力和设施。
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。
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。
Ultra-High-Energy Cosmic Rays: The Intersection of the Cosmic and Energy Frontiers
本文围绕超高能宇宙线研究，总结关键科学问题并提出未来二十年的研究策略建议，为美国高能物理长期规划提供参考。
A Spectroscopic Road Map for Cosmic Frontier: DESI, DESI-II, Stage-5
在本白皮书中，我们为DESI之外的光谱实验提供了实验路线图。DESI将是本世纪20年代的一次变革性宇宙学巡天，将绘制4000万个星系和类星体的地图，并捕获z=1.2以下的大部分可用线性模式。EST-II将在更高密度和更高红移的星系中进行试点观测。第五阶段的实验将建立这些高密度和高红移的观测结果，在三维空间中绘制数亿颗恒星和星系，以解决暴胀、暗能量、轻相对论物质和暗物质的问题。这些光谱数据还将补充下一代弱透镜，线强度映射和CMB实验，并使其充分发挥潜力。
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Enabling Flagship Dark Energy Experiments to Reach their Full Potential
新一代强大的暗能量实验将在未来十年为宇宙学开辟新的前景。然而，如果没有来自其他望远镜的数据，这些项目就无法发挥最大的潜力。本白皮书特别关注地面光谱和光度观测的引人注目的好处，以补充Vera C。鲁宾天文台，以及帮助DESI-2实验和CMB-S4的小型计划。这些额外的数据集将改善这些旗舰项目的暗能量限制，使其超出其本身的可能性，并为基础物理学打开全新的窗口。例如，额外的光度学和单物体光谱学将为超新星和强透镜宇宙学提供必要的后续信息，而来自宽视场的小型设施和来自天空较窄区域的大型设施的高度多路复用光谱学将为鲁宾天文台的弱透镜和星系集群测量提供更准确的光度红移估计。为超新星哈勃图提供关键的光谱宿主星系红移，提供对限制天体物理系统效应的更好理解，并使探索引力性质的新测量成为可能。一个共同的线索是，从一系列望远镜/仪器获得补充数据将对未来几年暗能量科学的发展速度产生重大影响。
Snowmass2021 Cosmic Frontier: The landscape of low-threshold dark matter direct detection in the next decade
本文综述meV至GeV低阈值暗物质直接探测的科学动因、最新进展与未来机遇，并指出通过研发投入和小型项目组合可在未来十年拓展未探索参数空间。
The next frontiers for magnetic monopole searches
本文研究通过施温格过程在重离子碰撞、宇宙射线和宇宙磁场衰变中产生低质量磁单极子的可能性，提出利用下一代对撞机、工业采矿和南极冰钻基础设施及专用探测器进行搜寻，并给出可达10^{-22} cm^{-2} s^{-1} sr^{-1}量级的通量灵敏度。
Snowmass Energy Frontier Simulations using the Open Science Grid (A Snowmass 2013 whitepaper)
Snowmass是美国物理学会粒子和场分部为高能社区进行的一项长期规划研究。对于其模拟研究，机会主义资源利用开放科学网格基础设施。后期绑定网格技术，GlideinWMS，被用于分布式调度的仿真工作在许多网站，主要是在美国。试点基础设施还使用Parrot机制来动态访问CvmFS，以确定跨节点的同构环境。此报告介绍了用于模拟Snowmass Energy Frontier研究所需的大型统计标准模型背景的资源使用情况和存储模型。
Snowmass CF1 Summary: WIMP Dark Matter Direct Detection
作为Snowmass过程的一部分，宇宙前沿WIMP直接探测小组（CF1）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。CF 1的任务是（a）总结全球WIMP直接探测实验的当前状态和预计灵敏度，（b）通过检查一系列WIMP模型来激发WIMP在广泛参数空间中的暗物质搜索，（c）建立社区共识关于探索该参数空间所需的实验计划类型，以及（d）确定实际实现这些目标所需的通用基础设施。
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