吨级暗物质直接探测实验能（与不能）测量什么

近年来，暗物质的直接搜寻在天体粒子物理学界引发了极大的关注，但不同实验的信号宣称与零结果之间的兼容性远未得到解决。在此背景下，我们研究了下一代吨级探测器约束暗物质参数空间的前景。利用涵盖多种靶材（包括氟、钠、氩、锗、碘和氙）的现实实验能力，我们详细分析了靶材互补性的作用，同时以自洽的方式考虑了天体物理不确定性的影响。我们明确表明，未来直接探测设施中的多靶信号可以确定标量耦合比值 f_n/f_p 的符号，但不能确定其标度。这意味着，如果放宽 f_p ∼ f_n 的假设，标量-质子散射截面基本上将不受约束。相反，我们发现，如果使用钠和碘的多吨级仪器最终投入运行，轴矢-质子散射截面和轴矢耦合比值 a_n/a_p 都可以相当精确地测量。此外，结果表明，未来的直接探测数据可以轻易区分弹性散射和非弹性散射。最后，我们论证，在对 WIMP 耦合和天体物理过程作出较弱假设的前提下，仅暗物质质量和非弹性参数（即质量劈裂）可以从反冲能谱中推断出来——具体而言，我们预计暗物质质量（非弹性参数）的测量精度可达数十 GeV（数十 keV）。