[論文レビュー] Connecting Primordial Black Hole to boosted sub-GeV Dark Matter through neutrino

Wei Chao, Tong Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、初期ブラックホール（PBH）と1GeV未塔のダークマター（DM）との間の新規な接続を提唱する。PBHの蒸発から生じるニュートリノが、軽いDM粒子を半相対論的エネルギーまで加速する。PBHニュートリノ駆動DM（PBH ν BDM）のシナリオは、XENON1TのkeVエネルギーの過剰を説明でき、今後の直接検出実験がm_χ ≲ 0.5 MeVの場合に、DM-電子散乱断面積σ_χe > 10⁻²⁹ cm²およびPBH割合f_PBH が最大10⁻⁵に達する領域を探索可能であると予測する。

ABSTRACT

The explorations of alternative dark matter (DM) candidates beyond WIMP motivated primordial black holes (PBHs) or sub-GeV DM particle in the Milky Way. Neutrinos from PBH evaporation at the present times play as a novel medium boosting sub-GeV DM and leaving signatures in the terrestrial experiments. We explore the boosted DM by the neutrino flux from PBH evaporation (PBH$ν$BDM) so as to connect the macroscopic PBHs to sub-GeV DM particle. We consider this PBH$ν$BDM scenario to interpret the XENON1T keV excess. The projected bounds on the sub-GeV DM-electron scattering cross section and the fraction of DM composed of PBHs $f_{ m PBH}$ are imposed for future experiments.

研究の動機と目的

• マクロな初期ブラックホール（PBH）と1GeV未塔のダークマター（DM）を、ニュートリノを介した加速によって結ぶ。
• PBH ν BDMシナリオを用いて、XENON1TのkeVエネルギーの電子反発過剰を説明する。
• 銀河ハロー内のDM-電子散乱断面積σ_χeおよびPBH割合f_PBHに関する、現在の制約と今後の予測される境界を導出する。
• 今後の直接検出実験が、特にm_χ ≲ 0.5 MeVの軽いDMに対してPBH ν BDM信号をどの程度感度よく検出できるかを評価する。

提案手法

• BlackHawkコードを用いて、PBH蒸発に伴う微分的ニュートリノ放射スペクトル（一次的および二次的寄与を含む）を計算する。
• 赤方偏移および距離効果を考慮した、銀河ハロー内PBHおよび銀河間源からのニュートリノフラックスを計算する。
• 銀河ハロー内でのDM-ニュートリノ散乱を、DM-電子散乱断面積σ_χeと等しい断面積σ_νχを用いてモデル化し、半相対論的エネルギーを持つ加速DM（BDM）を生成する。
• 地球に到達するBDMフラックスおよび、XENON1Tのような低エネルギー直接検出実験における電子との中間反応率を計算する。
• XENON1Tの電子反発スペクトルにバックグラウンドモデルを適用し、データにフィットさせてm_χおよびσ_χeを制約する。
• XENON実験（例：1トン・年露光）の今後の感度をσ_χeおよびf_PBHについて予測し、ガンマ線観測およびCMB非一様性からの既存の制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PBH蒸発に伴うニュートリノが、地上実験で検出可能なエネルギーにまで、1GeV未塔のダークマター粒子を加速させる有効なメカニズムを提供できるか？
• RQ2 PBH ν BDMシナリオは、XENON1TのkeVエネルギーの電子反発過剰をどの程度説明できるか？
• RQ3 今後の直接検出実験が、DM-電子散乱断面積σ_χeおよびPBH割合f_PBHにどの程度の境界を予測できるか？
• RQ4 PBH ν BDMシナリオは、銀河間ガンマ線およびCMB非一様性からの既存の制約とどのように比較できるか？
• RQ5 m_χ ≲ 0.5 MeVの軽いDMに対して、今後の実験がPBH ν BDM信号をどの程度の感度で検出可能か？

主な発見

• PBH ν BDMシナリオは、XENON1TのkeV過剰を良好にフィットし、ダークマター質量m_χ ≈ 300 MeVおよびDM-電子散乱断面積σ_χe ≈ 1.1 × 10⁻²⁸ cm²を支持する。
• m_χ ≈ 0.1 MeVの場合、95%信頼区間におけるσ_χeの上限は10⁻²⁹ cm²以上であり、σ_χe ≳ 10⁻²⁸ cm²ではより強い除外が得られる。
• 1トン・年露光を持つ今後のXENON実験は、m_χ ≲ 0.5 MeVのPBH ν BDMシナリオを探索可能であり、現在の限界に比べて大幅に感度が向上する。
• 現在の銀河間ガンマ線制約と比較すると、σ_χe = 10⁻³⁰ cm²の場合、M_PBH ≳ 2 × 10¹⁵ gの領域でf_PBHの予測境界が最大10倍改善される。
• 地球遮蔽効果により、検出可能なBDMフラックスは1.4 km（LNGS）または2.4 km（CJPL）の経路に限られるが、これは予測感度曲線に組み込まれている。
• PBH ν BDMフラックスは、最近のCalabreseら（2021b）が提唱した、直接PBHからの軽いDM放出と同程度の大きさであるが、相互作用チャネルは異なる（DM-電子対比DM-核子）