利用直接探测实验确定 WIMP 暗物质粒子/反粒子性质的前景

最近有人指出，来自至少三个不同靶物质的直接探测信号可用于确定暗物质（DM）粒子是否不同于其反粒子。在本工作中，受未来探测器提议的启发，我们详细考察了该测试在不同条件下的可行性。具体而言，我们在暗物质粒子与其反粒子相同或不同的假设下对模拟数据进行似然拟合，并确定了前者被拒绝以支持后者的显著性。在我们的分析中，我们考虑了 3 个不同的暗物质质量值（$50$ GeV、$300$ GeV、$1$ TeV）和 4 个不同的实验组合，每个组合包含至少 3 个不同的靶物质——Xe 和 Ar，外加以下之一：Si、Ge、$\mathrm{CaWO_4}$ 或 Ge/$\mathrm{CaWO_4}$。对于这些实验组合中的每一个以及每一个暗物质质量，预期判别显著性被计算为暗物质-核子耦合的函数。在最佳情况下，对于所考虑的四个组合中的三个，判别显著性可达 $\mathcal{O}(3\sigma)$，而对于包含 $\mathrm{Si}$ 的组合可达 $\mathcal{O}(5\sigma)$，这突出了为了确定暗物质性质而需要多种实验靶物质的必要性。这些结果表明，未来的直接探测信号可用于在统计显著性水平上排除 Majorana 或实标量暗物质粒子，从而为暗物质的本质提供关键线索。