[論文レビュー] Atmospheric Dark Matter from Inelastic Cosmic Ray Collision in Xenon1T

Liangliang Su, Wenyu Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、キセノン1T実験で観測された電子反動過剰が、地球の大気中での非弾性宇宙線衝突によって生成される大気の暗黒物質（ADM）によって説明可能であると提唱している。高エネルギーの宇宙線が軽いADM粒子（約10 keV）を加速させることで、10⁻³⁷–10⁻³⁸ cm²程度の散乱断面積を持つようになり、これによりデータに適合しつつも、既存の直接検出制約を回避できる。

ABSTRACT

Very recently, the Xenon1T collaboration has reported an intriguing electron recoil excess, which may imply for light dark matter. In order to interpret this anomaly, we proposed the the atmospheric dark matter (AMD) from the inelastic collision of cosmic rays with the atmosphere. Thanks to the boost effect of high energy CRs, we show that a ${\cal O}(10)$ keV ADM can be fast-moving and successfully fit the observed electron recoil spectra observed through the ADM-electron scattering process. Meanwhile, our ADM predict the scattering cross sections $\sigma_e \sim {\cal O}(10^{-37}- 10^{-38}$) cm$^{2}$, and thus can evade other direct detection constraints. The search for light meson rare decays, such as $\eta o \pi + \slashed E_T$, would provide a complementary probe of our ADM in the future.

研究の動機と目的

• キセノン1T実験で観測された説明のつかない電子反動過剰を説明すること。
• 大気中での非弾 性宇宙線衝突によって生成される軽い暗黒物質粒子が、この過剰を説明できるかどうかを検討すること。
• このような状況が、既存の暗黒物質の直接検出制約を回避できるかどうかを特定すること。
• 提案された大気の暗黒物質モデルを検証するための補足的プローブを同定すること。

提案手法

• 地球の大気中での非弾 性宇宙線衝突をモデル化し、高速で軽い暗黒物質粒子を生成すること。
• 高エネルギー宇宙線によるブースト効果を適用し、1GeV未満の暗黒物質粒子のフラックスを増幅すること。
• 提案された大気の暗黒物質粒子の電子散乱断面積を計算すること。
• 予測された電子反動スペクトルをキセノン1Tのデータと比較し、整合性を評価すること。
• 既存の直接検出実験からの制約を評価し、妥当性を検証すること。
• η → π + /E_T などのレアなメソン崩壊を、補足的プローブとして同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気中の非弾 性宇宙線衝突が、キセノン1Tの電子反動過剰を説明するのに十分なフラックスの軽い暗黒物質粒子を生成できるか？
• RQ2 観測された反動スペクトルに適合させるために必要な暗黒物質の質量と散乱断面積は何か？
• RQ3 提案された大気の暗黒物質モデルは、既存の直接検出制約を回避できるか？
• RQ4 将来的にこのモデルを検証できる可能性のある実験的シグナルは何か？

主な発見

• 提案された大気の暗黒物質粒子の質量は約10 keVであり、キセノン1Tの電子反動過剰と整合的である。
• このモデルは、σₑ ≈ 10⁻³⁷–10⁻³⁸ cm² の電子散乱断面積を予測しており、これは既存の直接検出限界を回避できるほど小さい。
• 高エネルギー宇宙線によるブースト効果により、高速で弱い相互作用を示す暗黒物質粒子が生成され、検出器内の電子と散乱するようになる。
• ADM-電子散乱による予測された反動スペクトルは、報告された不確実性の範囲内でキセノン1Tで観測された過剰と一致する。
• η → π + /E_T などのレア崩壊は、提案された大気の暗黒物質モデルの補足的実験的検証を提供する可能性がある。