[論文レビュー] Cosmic-ray dark matter confronted by constraints on new light mediators

Nicole F. Bell, Jayden L. Newstead+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy参考文献 72被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、核子に結合する軽いメディエーターを介した宇宙線ダークマター（CRDM）の上昇散乱を、1GeV未塔のダークマターを探索する手法として検討する。Borexino、XENON1T、LZ、Super-Kからの制約を用いて、CRDM信号が検出可能となるパラメータ空間は、既にメソンの崩壊や星の冷却からの制約によって排除されており、CRDMの制約はモデル依存的であり、ダークマターの探索にはほとんど効果が薄いことが示された。

ABSTRACT

The detectability of light dark matter in direct detection experiments is limited by the small kinetic energy of the recoiling targets. Thus, scenarios where dark matter is boosted to relativistic velocities provide a useful tactic to constrain sub-GeV dark matter particles. Of the possible dark matter boosting mechanisms, cosmic-ray upscattering is an appealing paradigm as it doesn't require any additional assumptions beyond dark matter coupling to nucleons or electrons. However, detectable signals are obtained only with relatively large cross sections which, in turn, can only be realized with large couplings, light mediators or composite dark matter. In this work we consider a general set of light mediators that couple dark matter to hadrons. Using data from Borexino, XENON1T, LZ and Super-K, we show that existing constraints on such mediators preclude appreciable cosmic-ray dark matter upscattering. This finding highlights the limited applicability of cosmic-ray upscattering constraints and suggests they only be used in model-dependent studies.

研究の動機と目的

• 直接検出実験における1GeV未塔のダークマターを探索するための宇宙線ダークマター（CRDM）上昇散乱の有効性を評価すること。
• CRDM信号が、DM-核子相互作用を媒介する軽いメディエーターに関する既存の制約を回避できるかどうかを評価すること。
• 現在および将来の直接検出およびニュートリノ実験が、メディエーターの制約によってすでに除外されていないパラメータ空間をどのように探査できるかを検討すること。
• 特にメソンの崩壊、星の冷却、SN1987Aからのニュートリノ放出といった制約が、CRDM検出の可能性に与える影響を定量化すること。
• CRDM制約のモデル依存性を強調し、軽いダークマターを一般化したプローブとしてのCRDMの限界を明らかにすること。

提案手法

• スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、擬スカラーのメディエーターを含む一般化された簡略化モデルを定式化し、ダークマターと核子の結合を記述する。
• 宇宙線の核子上での上昇散乱の運動的状況を考慮した、運動量依存性のある断面積を用いて、CRDMフラックスを計算する。
• メソンの崩壊（例：$K \to \pi \pi$）、星の冷却（HR星と赤巨星）、SN1987Aからのニュートリノ放出に基づくメディエーター結合に対する制約を適用する。
• XENON1T、LZ、Borexino、Super-Kのデータを用いて直接検出感度を評価し、核子反動のしきい値と被曝量のスケーリングに注目する。
• メディエーター質量と結合定数のパラメータ空間全域において、CRDM検出限界と既存のメディエーター制約を比較する。
• 地球の上覆いにおける弾性散乱による減衰効果を検討したが、主に伝達メカニズムの物理的制約に焦点を当て、伝播効果は二次的であるとみなした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1GeV未塔のダークマターに対して、宇宙線上昇散乱が直接検出実験で検出可能な相対論的ダークマターのフラックスを生成できるか？
• RQ2 DM-核子相互作用を媒介する軽いメディエーターに関する既存の制約は、CRDM検出信号にどの程度の制限を課すか？
• RQ3 特に軽いメディエーターのパラメータ空間において、既存のメディエーター制約を考慮しても、CRDM検出が可能となる領域は存在するか？
• RQ4 メソンの崩壊、星の冷却、SN1987Aからの制約は、直接検出実験の制約と比較して、CRDM信号の除外にどの程度寄与するか？
• RQ5 JUNO、DUNE、Hyper-Kなどの将来の検出器では、CRDMの未制約パラメータ空間を探索するためにどの程度の感度向上が必要か？

主な発見

• スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、擬スカラーのすべてのメディエーター種別において、既存のメディエーター制約が、現在の実験でCRDM信号が検出可能となるパラメータ空間をすでに排除している。
• メディエーター結合に対する最も強い制約は、メソンの崩壊（例：$K \to \pi \pi$）と星の冷却であり、特にスカラーおよび擬スカラーのメディエーターにおいて顕著である。
• ベクトルおよび軸性ベクトルメディエーターの制約は、それぞれメソン崩壊とSN1987Aの制約が支配的であり、軸性結合はさらに強い天体物理学的制約を受ける可能性が高い。
• SIモデルでは、LZの低しきい値と核子断面積の増幅効果を有するキセノン標的に基づく感度が、パラメータ空間全域で最も強いCRDM制約をもたらす。
• SDモデルでは、Borexinoの電子反動への感度と低エネルギーしきい値のおかげで、最も強い制約が得られる。
• 将来の検出器（JUNO、DUNE、Hyper-K）は、被曝量の4乗根に比例して感度が向上するが、CRDMの未制約パラメータ空間に到達することはできず、既にメディエーター制約によって除外された領域にはアクセスできない。