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Optimal celestial bodies for dark matter detection
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ( IF 5.3 ) Pub Date : 2024-12-12 , DOI: 10.1088/1475-7516/2024/12/031 Rebecca K. Leane and Joshua Tong
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ( IF 5.3 ) Pub Date : 2024-12-12 , DOI: 10.1088/1475-7516/2024/12/031 Rebecca K. Leane and Joshua Tong
A wide variety of celestial bodies have been considered as dark matter detectors. Which stands the best chance of delivering the discovery of dark matter? Which is the most powerful dark matter detector? We investigate a range of objects, including the Sun, Earth, Jupiter, Brown Dwarfs, White Dwarfs, Neutron Stars, Stellar populations, and Exoplanets. We quantify how different objects are optimal dark matter detectors in different regimes by deconstructing some of the in-built assumptions in these search sensitivities, including observation potential and particle model assumptions. We find new constraints and future sensitivities across a range of dark matter annihilation final states. We quantify mediator properties leading to detectable celestial-body energy injection or Standard Model fluxes, and show how different objects can be expected to deliver corroborating signals. We discuss different search strategies, their opportunities and limitations, and the interplay of regimes where different celestial objects are optimal dark matter detectors. Deconstructing the assumptions of these searches leads us to point out a new search using the Galactic center stellar population that can provide greater sensitivity to the dark matter-nucleon scattering cross section than the Sun, despite being significantly further away in our Galaxy.
中文翻译:
暗物质探测的最佳天体
各种各样的天体都被认为是暗物质探测器。哪个最有可能实现暗物质的发现?哪个是最强大的暗物质探测器?我们研究了一系列天体,包括太阳、地球、木星、棕矮星、白矮星、中子星、恒星群和系外行星。我们通过解构这些搜索灵敏度中的一些内置假设,包括观测潜力和粒子模型假设,量化了不同天体在不同状态下如何成为最佳暗物质探测器。我们在一系列暗物质湮灭最终状态中发现了新的约束和未来敏感性。我们量化了导致可检测天体能量注入或标准模型通量的介质特性,并展示了不同的物体如何传递确凿的信号。我们讨论了不同的搜索策略、它们的机会和局限性,以及不同天体是最佳暗物质探测器的机制的相互作用。解构这些搜索的假设后,我们指出了一种使用银河系中心恒星群的新搜索,尽管它在我们的银河系中要远得多,但它可以比太阳对暗物质-核子散射横截面提供更高的敏感性。
更新日期:2024-12-12
中文翻译:
暗物质探测的最佳天体
各种各样的天体都被认为是暗物质探测器。哪个最有可能实现暗物质的发现?哪个是最强大的暗物质探测器?我们研究了一系列天体,包括太阳、地球、木星、棕矮星、白矮星、中子星、恒星群和系外行星。我们通过解构这些搜索灵敏度中的一些内置假设,包括观测潜力和粒子模型假设,量化了不同天体在不同状态下如何成为最佳暗物质探测器。我们在一系列暗物质湮灭最终状态中发现了新的约束和未来敏感性。我们量化了导致可检测天体能量注入或标准模型通量的介质特性,并展示了不同的物体如何传递确凿的信号。我们讨论了不同的搜索策略、它们的机会和局限性,以及不同天体是最佳暗物质探测器的机制的相互作用。解构这些搜索的假设后,我们指出了一种使用银河系中心恒星群的新搜索,尽管它在我们的银河系中要远得多,但它可以比太阳对暗物质-核子散射横截面提供更高的敏感性。