[論文レビュー] Atomic Size Dark Matter Pearls, Electron Signal

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、原子サイズの真空気泡（「パール」）から構成されるダークマターのモデルを提案する。これらのパールは圧縮された原子物質と周囲の電子雲を含み、すべての標準模型で新しい物理を必要とせず、3.5 keVのX線線、DAMA-LIBRAにおける季節変動、Xenon1Tにおける電子反発過剰、すべてを電子励起と3.5 keVの放射によって説明する。

ABSTRACT

We explain both the observation of dark matter by the seasonal variation of the DAMA-LIBRA data and the observation of ``electron recoil'' events at Xenon1T by the SAME dark matter model. This DM is bubbles of a new type of vacuum containing ordinary atomic matter under high pressure ensured by the surface tension of the domain wall. Surrounding it a cloud of electrons almost of atomic size. Also we explain the self interactions of dark matter suggested by astronomical studies of dwarf galaxies etc. Interaction in the shielding slows the dark matter down to a low terminal velocity. Nuclei in the underground detectors are thus not detected. Further we explain the ``mysterious'' X-ray line of 3.5 keV from our dark matter particles colliding with each other so that the surfaces/skins unite. Even the 3.5 keV X-ray radiation from the Tycho supernova remnant is explained as our pearls hitting cosmic rays in the remnant. DAMA-LIBRA and Xenon1T experiments see supposedly our dark matter pearls excited during their stopping in the shielding or the air. The most remarkable support for our type of model is that both these underground experiments see events with about 3.5 keV energy, just the energy of the X-ray line. We get a good numerical understanding of the fitted cross section over mass ratio of self interacting dark matter observed in the study of dwarf galaxies. Also the total energy of the dark matter pearls stopped in the shield is reasonably matching order of magnitudewise with the absolute observation rates of DAMA-LIBRA and Xenon1T, although the their ratio requires further development. Accepting that the different phases of the vacuum could be realized inside the Standard Model, our whole scheme also could. No new physics is needed for dark matter!

研究の動機と目的

• 銀河団およびミルキーウェイで観測された3.5 keVのX線線を、ダークマター・パールの衝突によって説明する。
• 1つのダークマター・モデルを用いて、DAMA-LIBRAの季節変動とXenon1Tの電子反発過剰を統一的に説明する。
• 矮星銀河および銀河団で観測されたダークマターの自己相互作用を説明する。
• 遮蔽物質で停止したダークマターがシンチレーターを励起するメカニズムを提供する。
• このモデルが新しい物理を必要とせず、標準模型内での動作を示す。

提案手法

• 半径約5×10⁻¹² mのナノスケールの真空気泡（パール）をダークマターとしてモデル化し、表面張力による圧縮された原子物質（例えば炭素）を含む。
• 電子雲を~5×10⁻¹¹ mまで延長し、電子スペクトルにホモ・ルモギャップを含め、3.5 keVの励起を可能にする。
• パール内の電子のフェルミ運動量を用いて、パールのサイズに依存しない3.5 keVの励起エネルギーを決定する。
• 大気および地下の遮蔽物質におけるパールの停止を推定し、速度をほぼ熱的レベルまで低下させる。
• タイコ超新星残骸のような領域における宇宙線との相互作用をモデル化し、3.5 keVのX線放射を説明する。
• 観測された自己相互作用ダークマターの観測と比較して、モデルから導かれる質量比に対する断面積を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子サイズのダークマター・パールは、銀河団およびミルキーウェイで観測された3.5 keVのX線線を説明できるか？
• RQ2 同じダークマター・モデルが、DAMA-LIBRAの季節変動とXenon1Tの電子反発過剰を両方説明できるか？
• RQ3 3.5 keVの電子励起と放射が、地下の信号と宇宙からのX線線を結ぶ役割を果たすか？
• RQ4 このモデルから導かれるダークマターの自己相互作用断面積は、矮星銀河および銀河団の観測と一致するか？
• RQ5 検出器の材料の違いを考慮しても、DAMA-LIBRAとXenon1Tの観測レートを同じ枠組みで説明できるか？

主な発見

• モデルにおける3.5 keVの励起エネルギーは、パールの電子スペクトルにおけるホモ・ルモギャップに起因し、パールのサイズとは無関係に電子のフェルミ運動量によって決定される。
• このモデルは、矮星銀河からの観測と良好に一致する自己相互作用ダークマターの質量比に対する断面積を予測する。
• 停止したパールが遮蔽物質に与える全エネルギーは、DAMA-LIBRAおよびXenon1Tの観測レートのオーダーと一致するが、レート比の精緻化が必要である。
• タイコ超新星残骸からの3.5 keVのX線放射は、パールが残骸内の宇宙線と衝突することで説明できる。
• Xenon1Tが電子反発イベントを観測するが核反発を観測しないのは、液体キセノンでは電子放出が抑制されないのに対し、固体NaI検出器では抑制されるためである。
• 表面張力S¹ᐟ³ ≈ 2.2 MeVの条件下では、宇宙論的スケールで延長されたドメインウォールが形成可能であり、宇宙の網構造に大きな空洞を形成しても宇宙論に支障をきたさない可能性がある。