[論文レビュー] Constraints on GeV Dark Matter interaction with baryons, from a novel Dewar experiment

Xingchen Xu, Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 15被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、液体窒素の蒸発率を測定する新しいデュアル実験を用いて、GeVスケールのダークマター（DM）とバリオンの相互作用に関する新たな制約を導出する。DM-核子散乱をヤコビ型ポテンシャルでモデル化し、摂動論的でない効果を厳密に取り入れることで、DM質量が0.8–5.5 GeVの範囲で、DM-核子スピン不揃い断面積が$10^{-26}$から$10^{-26.3}\ \text{cm}^2$を超える場合を除外する。これは、従来の制約に比べ顕著な改善である。

ABSTRACT

Dark matter which scatters off ordinary matter with a relatively large cross section cannot be constrained by deep underground WIMP experiments, due to the energy loss of DM along its path. However, for a sufficiently large cross section, DM particles in the GeV mass range can be captured and thermalized within Earth, resulting in the accumulation of a DM atmosphere whose number density can be as large as $10^{14} ext{ cm}^{-3}$ at Earth's surface. (If the DM-nucleon interaction is attractive and bound states can be formed, most DM bind to nuclei and the density is much lower.) Neufeld and Brach-Neufeld performed experiments to constrain the DM-baryon scattering cross section of DM atmosphere around Earth, by measuring the evaporation rate of liquid nitrogen in a storage dewar within which various materials are immersed. If the DM-nitrogen cross section is in an appropriate range, room temperature DM would penetrate the dewar walls and scatter on the cold nitrogen, increasing its evaporation rate beyond the observed level. Limits on the cross section of DM with other materials than nitrogen are obtained by adding known amounts of different materials; if the material is heated by interactions with DM, that heats and evaporates the liquid nitrogen. Because Born approximation is in general invalid in much of the relevant cross section regime, it is non-trivial to interpret such experimental results as a limit on the DM-nucleon cross section. In this paper we derive the constraints on DM-baryon scattering, with the interaction modeled as a Yukawa potential sourced by the finite sized nucleus. Combining the dewar constraints with BBN, we exclude for the first time a cross section above $10^{-26} ext{ cm}^{2}$ for DM mass 0.8-5.5 GeV, for any sign interaction. One DM model that is constrained is sexaquark $(uuddss)$ DM with mass $m_X \sim 2$ GeV; it remains viable.

研究の動機と目的

• 大スケールの散乱断面積を持つGeVスケールのダークマターに対する堅固な制約が不足していることに対処する。これは、大気および地殻内のエネルギー損失のため、従来の地下WIMP検出器では測定できない。
• NeufeldおよびBrach-Neufeldのデュアル実験（さまざまな材料を含むデュアルで液体窒素の異常な蒸発が測定された）を、DM-バリオン散乱断面積の制約として解釈する。
• この領域の断面積領域で摂動論的近似（Born近似）が失敗するため、DM-核子散乱の厳密な非摂動的取り扱いを考案することで、その限界を克服する。
• Big Bang核合成（BBN）の制約とデュアルの制約を組み合わせることで、0.8–5.5 GeVのDM質量領域で、これまで制約がなかったパラメータ空間の領域を除外する。
• 特に、$m_X \sim 2$ GeVのセキサクォークDMモデルの妥当性を、新しい制約のもとで評価する。

提案手法

• 有限サイズの核子によって駆動されるヤコビ型ポテンシャルを用いて、DM-核子散乱をモデル化し、摂動論的でない効果を考慮する。これにより、Born近似が破綻する領域の正確な記述が可能になる。
• 摂動論的取り扱いが原子質量数$A$に誤ったスケーリングを引き起こすのを避けるために、DM-核子散乱断面積を厳密な非摂動的形式で計算する。
• さまざまな材料を含むデュアルで測定された液体窒素の蒸発率を用いて、DM散乱によるエネルギー損失を推定する。これは、地球の大気中で熱平衡に達したDMを仮定している。
• 観測された蒸発率の増加を、非摂動的断面積を用いて導出したDM-核子スピン不揃い断面積$\sigma_p$の制約に変換する。
• デュアルの制約と宇宙論的制約（Big Bang核合成：BBN）を組み合わせることで、除外限界を強化する。
• 媒介子質量$m_\phi \gtrsim 1$ GeVの範囲で手法の妥当性を検証する。$m_\phi < 1$ GeVの範囲でも近似的に有効であるが、精度を求めるためには完全な再分析が推奨される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Born近似が破綻する関連断面積領域においても、NeufeldおよびBrach-Neufeldのデュアル実験が、GeVスケールのダークマターとバリオンの相互作用に対する堅固な制約を提供できるか？
• RQ2 DM質量が0.8–5.5 GeVで、断面積が$10^{-26}\ \text{cm}^2$まで達する領域を正確にモデル化するには、DM-核子散乱の正しい非摂動的取り扱いは何か？
• RQ3 デュアル実験の制約は、従来の宇宙論的制約（BBNやCMBなど）と比較して、これまで制約がなかったGeVスケールのダークマターのパラメータ空間でどのように位置づけられるか？
• RQ4 デュアルデータとBBN制約を組み合わせた場合、DM-核子スピン不揃い断面積の除外範囲は何か？ これは、従来の制約に比べてどのように向上しているか？
• RQ5 $m_X \sim 2$ GeVのセキサクォークDMモデルは、新しいデュアル実験および宇宙論的制約のもとでも依然として妥当性を保っているか？

主な発見

• この論文は、DM質量が0.8–5.5 GeVの範囲で、DM-核子スピン不揃い断面積が$10^{-26}$から$10^{-26.3}\ \text{cm}^2$を超える場合を除外する。これは、従来の制約に比べ顕著な改善である。
• 除外範囲は、ヤコビ型相互作用の非摂動的取り扱いにより導出され、この領域で摂動論的近似（Born近似）が失敗するのを是正している。
• デュアル実験は、DM質量が1–3 GeVの範囲で、これまでで最も強い制約を提供し、$\sigma_p > 10^{-26.3}\ \text{cm}^2$を除外する。
• さらに、DM質量が1.3–4 GeVの範囲で、$\sigma_p \sim 10^{-30}\ \text{cm}^2$の領域にも追加の除外領域が存在し、パラメータ空間の制約がさらに強化された。
• $m_X \sim 2$ GeVのセキサクォークDMモデルは、依然として妥当性を保っている。一般の除外限界は、その期待される断面積範囲の上端に位置しており、結合定数の符号が不明なため条件付きの制約は効かない。
• デュアル制約とBBN制約を組み合わせることで、特に引力的相互作用および$m_\phi \gtrsim 1$ GeVの領域で、これまで制約がなかったダークマターのパラメータ空間の領域が除外された。