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

C. D. Froggatt, H. B. Nielsen|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、暗黒物質が原子サイズの真空バブル（"パール"）で構成され、圧縮された原子物質とその周囲の電子雲を含むと提案している。このモデルは、3.5 keV X線線とDAMA-LIBRAおよびXenon1Tにおける電子様の信号を両方説明する。モデルは矮星銀河からの自己相互作用データにも適合し、検出器内での停止過程における電子の脱励起が観測信号を生じると予測する。特に、DAMAとXenon1Tにおける1kgあたりのイベントレートが等しくなるという重要な予測を持つが、観測された250倍の比は、シンチレーター材料における停止時間の違いに起因する可能性がある。

ABSTRACT

We seek to explain both the seeming observation of dark matter by the seasonal variation of the DAMA-LIBRA data and the observation of "electron recoil" events at Xenon1T in which the liquid Xe scintillator was excited by electrons - in excess to the expected background - by the same dark matter model. In our model the dark matter consists of bubbles of a new type of vacuum containing ordinary atomic matter, say diamond, under high pressure ensured by the surface tension of the separation domain wall. We also seek to explain the self interactions of dark matter suggested by astronomical studies of dwarf galaxies and the central structure of galaxy clusters. The interaction with matter in the shielding is responsible for slowing the dark matter down to a low terminal velocity, so underground detectors have insufficient energy for detection. Further we explain the "mysterious" X-ray line of 3.5 keV, even the 3.5 keV X-ray radiation from the Tycho supernova remnant. The DAMA-LIBRA and Xenon1T experiments see decaying dark matter pearls. Both these underground experiments see events with about 3.5 keV energy, just the energy of the X-ray line. We fit numerically the cross section over mass ratio for the self interaction of the dark matter as observed in the study of dwarf galaxies and find the size of the pearls to be rather close to the smallest possible in our model. However DAMA cause some problem to get heavier pearls. Also the total energy of the dark matter pearls stopped in the shield is reasonably matching. Accepting the different phases of the vacuum the model could be realized inside the Standard Model, our whole scheme could be realized inside the Standard Model.

研究の動機と目的

• 1つの暗黒物質モデルを用いて、DAMA-LIBRAにおける季節的変調とXenon1Tにおける電子反発過剰を説明すること。
• 銀河団からの観測された3.5 keV X線線を、暗黒物質の崩壊または衝突過程と一致させること。
• 矮星銀河の運動から推定される暗黒物質の自己相互作用を、低速度における断面積/質量比を用いて説明すること。
• 遮蔽を通過する必要がある暗黒物質の深さと観測されたイベントレートの間の矛盾を解消すること。
• 標準模型を超える新しい物理を仮定せずに、地下実験における絶対的および相対的イベントレートを再現できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 暗黒物質を、圧縮された原子物質（例：ダイヤモンド）を含み、表面張力によって誘導される界面壁を持つ原子サイズの真空バブル（パール）としてモデル化する。
• 電子雲を周囲に設け、その準位が脱励起時に3.5 keV X線放射を決定づける。
• パール内での電子のフェルミ運動量を用いて、銀河団全体における3.5 keV X線線強度に一致させる。
• 低速度力学を用いて、矮星銀河の観測と一致するように、自己相互作用の断面積/質量比（σ/M）を計算する。
• 遮蔽（例：1400 mの岩/空気）内の停止ダイナミクスをモデル化し、地下検出器に到達するまでのエネルギー損失と最終速度を推定する。
• NaIと液体キセノンにおける停止時間の違いを考慮して、DAMA-LIBRA（電子脱励起によるシンチレーション）とXenon1T（電子反発過剰）のイベントレートを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子サイズの真空パールに電子雲を伴うモデルは、銀河団およびミルキーウェイで観測された3.5 keV X線線を説明できるか？
• RQ2 同じ暗黒物質モデルが、DAMA-LIBRAにおける季節的変調とXenon1Tにおける電子反発過剰を両方説明できるか？
• RQ3 矮星銀河からの自己相互作用制約と遮蔽通過時間の両方を満たすために、パールのサイズと表面張力はどの程度でなければならないか？
• RQ4 DAMA-LIBRAとXenon1Tにおける観測イベントレート比が約250倍である理由は何か？これは、シンチレーター材料における停止時間の違いによって説明可能か？
• RQ5 モデルは、標準模型を超える新しい物理を仮定せずに、両実験における絶対イベントレートを再現できるか？

主な発見

• モデルは、パール同士の衝突または宇宙線相互作用に伴う電子の脱励起によって3.5 keV X線線放射が生じることを予測し、銀河団およびTycho超新星残骸からの観測と一致する。
• 自己相互作用の断面積/質量比（σ/M）は、矮星銀河データにフィットさせ、パールが原子サイズ（R ~ 10⁻¹¹ ～ 10⁻⁹ m）である場合に観測と一致する値を示す。
• 半径約1 nm（R ~ 10⁻⁹ m）のパールと表面張力S¹ᐟ³ ≈ 14 MeVは、3.5 keV線と自己相互作用データと整合的であるが、季節的変調が消えるのを避けるためにより大きなサイズが必要となる可能性がある。
• DAMA-LIBRAとXenon1Tにおける1kgあたりの絶対イベントレートは等しいと予測されるが、液体キセノンにおける停留時間が固体NaIに比べ短いため、観測された250倍の比は、粘度および停止ダイナミクスのさらなる研究を要する。
• DAMA-LIBRAおよびXenon1Tにおける3.5 keV信号は、停止過程における電子の脱励起に起因するとモデルが説明でき、DAMAにおける核反発と電子反発の区別は不要である。
• モデルは標準模型と整合的であり、新しい真空相と界面壁がQCDまたはNambu-Jona-Lasinio対称性の破れから生じうるため、新しい物理を必要としない。