[論文レビュー] Cosmic-ray boosted dark matter in Xe-based direct detection experiments

Tarak Nath Maity, Ranjan Laha|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー宇宙線が生成するエネルギッシュなダークマター（DM）粒子が、検出可能な核反発を引き起こす可能性がある、キセノンベースの直接検出実験における1 GeV未塔の宇宙線駆動型低エネルギーDMを調査している。LUX-ZEPLIN（LZ）実験の結果を用いて、1 MeV前後のDM質量近辺でスピン非依存的DM-核子散乱断面積に対する制約を約2倍に改善した。今後、XENONnT や Darwin といった実験が、それぞれ約3倍および約10倍の改善を達成すると予想される。

ABSTRACT

LUX-ZEPLIN (LZ) collaboration has achieved the strongest constraint on weak-scale dark matter (DM)-nucleon spin-independent (SI) scattering cross section in a large region of parameter space. In this paper, we take a complementary approach and study the prospect of detecting cosmic-ray boosted sub-GeV DM in LZ. In the absence of a signal for DM, we improve upon the previous constraints by a factor of $\sim 2$ using the LZ result for some regions of the parameter space. We also show that upcoming XENONnT and future Darwin experiments will be sensitive to cross sections smaller by factors of $\sim 3$ and $\sim 10$ compared to the current LZ limit, respectively.

研究の動機と目的

• 宇宙線散乱によって励起された1 GeV未塔のダークマター粒子が、直接検出実験の低エネルギー閾値を克服して検出可能かどうかを検討すること。
• 最新のLUX-ZEPLIN（LZ）データを用いて、1 GeV未塔のDMにおけるスピン非依存的DM-核子散乱断面積に対する既存の制約を改善すること。
• 近い将来のキセノンベース実験—XENONnT、将来のLZ、Darwin—の宇宙線駆動型ダークマターに対する感度を予測すること。
• 弱規模および軽いダークセクター理論の文脈において、宇宙線駆動型DMが軽いダークマターを補完的に探査する有効性を評価すること。

提案手法

• 宇宙線フラックスのパラメトリックフィット（参考文献[77]のグローバルフィットモデル）を入力として、宇宙線駆動型ダークマター（CRDM）粒子のフラックスを計算する。
• 参考文献[24]のCRDM生成フレームワークを適用し、断面積とCRスペクトルを用いて、運動エネルギーの関数としてのDM粒子の微分フラックスをモデル化する。
• 参考文献[24]の感度形式を改変し、LZ、XENONnT、Darwinの実験パラメータを用いて、スピン非依存的DM-核子散乱断面積の予想される上限を推定する。
• 各実験の反発エネルギー窓全体にわたって積分することで、有効な検出閾値と信号受容率を計算し、検出器効率とバックグラウンド除去を考慮する。
• LZの結果（60日間のライブ時間、5.5トンのフィducial質量）を用いて、1 GeV未塔のDMにおけるDM-核子断面積の新たな上限を導出する。
• 同じCRフラックスモデルを用いたDarkSUSYシミュレーションとの一致を確認することで、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線駆動型1 GeV未塔のダークマターは、LZのようなキセノンベースの直接検出実験で検出可能な核反発を引き起こすことができるか？
• RQ2 最新のLZ結果は、XENON1Tのような以前の実験と比較して、スピン非依存的DM-核子散乱断面積に対する制約をどの程度改善しているか？
• RQ3 XENONnT や Darwin のような近い将来の実験で、宇宙線駆動型ダークマターを調べるにあたり、どの程度の感度向上が期待できるか？
• RQ4 宇宙線フラックスモデルの選択が、1 GeV未塔のダークマターに対する予想される感度にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 現在のLZの結果は、1 MeV前後のDM質量近辺で、スピン非依存的DM-核子散乱断面積に対する制約を、以前のXENON1Tの制限と比較して約2倍に強化している。
• 今後のXENONnTおよびLZのデータは、現在のLZの制限と比較して、1 GeV未塔のDMに対して約3倍の感度向上が予想される。
• 近い将来のDarwin実験は、現在のLZの制限と比較して、1 GeV未塔のDMに対して約10倍の感度向上が期待される。
• この研究は、宇宙線駆動型DMが、標準的な直接検出の閾値が効かない領域においても、軽いダークマターを探索する有効で補完的な手段であることを確認している。
• Darwinの予想される感度は、DM-核子散乱断面積を10^-51 cm²未満まで探査できると予想され、現在の実験の探査範囲を顕著に拡張する。
• DarkSUSYシミュレーションとの一貫性チェックにより、導出された制約と予測の信頼性が確認され、手法の妥当性が裏付けられた。