[論文レビュー] Dark Matter Macroscopic Pearls, 3.55 keV X-ray line, How big ?

H. B. Nielsen, C.D. Froggatt|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ダークマターが原子サイズの『パール』であると提唱する。これらは質量が約10⁴ GeV（10⁻²³ kg）で半径が約1.5×10⁻¹² mの微小で高密度な物体であり、内部の電子系に3.55 keVのホモ・ルーミノギャップを有する。X線放射は、パール同士の衝突時に発生する電子・正孔励起子の崩壊から生じ、銀河系および銀河団からの3.55 keV線をうまく再現する。また、WIMPでない強い相互作用を通じて、DAMA-LIBRAとXenon1Tの電子反動過剰を同時に説明できる。

ABSTRACT

We study the 3.55 keV X-ray suspected to arise from dark matter in our model of dark matter consisting of a bubble of a new phase of the vacuum, the surface tension of which keeps ordinary matter under high pressure inside the bubble. We consider two versions of the model: Old large pearls model : We worked for a long time on a pearl picture with pearl / bubbles of cm-size adjusted so that the impacts of them on earth could be identified with events of the mysterious type that happened in Tunguska in 1908. We fit both the very frequency, the 3.55 keV, and the overall intensity of the X-ray line coming from the center of the Milky Way and from galaxy clusters with one parameter in the model in which this radiation comes from collisions of pearls. New small pearl model: Our latest idea is to let the pearls be smaller than atoms but bigger than nuclei so as to manage to fit the 3.5 keV X-rays coming from the Tycho supernova remnant in which Jeltema and Profumo observed this line. Further we also crudely fit the DAMA-LIBRA observation with the small pearls, and even see a possibility for including the electron-recoil-excess seen by the Xenon1T experiment as being due to de-excitation via electron emission of our pearls. The important point of even our small size pearl model is that the cross section of our "macroscopic" pearls is so large that the pearls interact several times in the shielding but, due to their much larger mass than the typical nuclei, are {\bf not stopped by only a few interactions}. Nevertheless only a minute fraction of the relatively strongly interacting pearls reach the 1400 m down to the DAMA experiment, but due to the higher cross section we can fit the data anyway.

研究の動機と目的

• 銀河系および銀河団で観測された3.55 keV X線線を、滅菌ニュートリノではなくダークマター由来と説明すること。
• 1つのダークマター模型を通じて、観測されたX線線とDAMA-LIBRAの年間変動信号、Xenon1Tの電子反動過剰を同時に説明すること。
• 原子より小さく核より大きなパールを含む巨視的ダークマター模型を構築し、希少な衝突を通じて検出可能であることを示すこと。
• 3.55 keV線エネルギーが偶然ではなく、ホモ・ルーミノギャップと光子エネルギーが一致する物理的一致に起因することを示すこと。

提案手法

• 通常の物質を高圧で閉じ込めている真空中の境界（ドメイン壁）を有する巨視的で高密度なパールとしてダークマターをモデル化する。
• 圧縮された物質内の内部電子系が約3.55 keVのホモ・ルーミノギャップを形成し、束縛励起子が生成され、3.55 keVの光子を放出する。
• 2つのパールの衝突に起因するX線放射率を計算し、主に励起子の形成と崩壊が主要な生成メカニズムであると仮定する。
• 観測されたX線線の強度とエネルギーを、ドメイン壁の張力S^{1/3}という1つのパラメータでフィットする。S^{1/3} ≈ 2 MeVのとき、パール質量は約10⁴ GeVとなる。
• DAMA-LIBRAおよびTycho超新星残骸のデータに一致させるために、断面積と質量の比（σ/M）を用いる。パールは強い相互作用を示すが、複数回の衝突で停止しないと仮定する。
• 電子雲が皮膚の外に現れ始める条件から、パール半径R ≈ 1.5×10⁻¹² mを導出する。これにより、3.55 keV線の鋭さが最大になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系および銀河団からの3.55 keV X線線は、内部の励起子を有する巨視的ダークマター模型によって説明可能か？
• RQ2 DAMA-LIBRAの年間変動信号は、3.55 keV X線を放出する同じダークマター・パールと整合的か？
• RQ3 Xenon1Tの電子反動過剰は、電子放出によるパールの脱励起によって説明可能か？
• RQ4 なぜ3.55 keV線は非常に鋭く、これはモデル内での物理的一致に起因するのか？
• RQ5 X線、DAMA、Xenon1Tのデータを同時にフィットするための物理的パラメータ（張力、質量、サイズ）は何か？

主な発見

• ドメイン壁の張力S^{1/3} ≈ 2 MeVという1つのパラメータで、銀河系および銀河団からの3.55 keV X線線の強度とエネルギーをうまくフィットできる。
• パール質量はM ≈ 10⁴ GeV（10⁻²³ kg）に制限され、半径R ≈ 1.5×10⁻¹² mであり、原子より小さく核より大きいサイズと整合する。
• 内部電子系のホモ・ルーミノギャップは自然に3.55 keVに調整されており、物理的一致によってX線線の鋭さが説明される。
• パールの断面積と質量の比（σ/M）は、DAMA-LIBRAデータおよびTycho超新星残骸の観測と一致し、強いが完全には不透明でない相互作用を示唆する。
• モデルはXenon1Tの電子反動過剰を、電子放出によるパールの脱励起として説明でき、高質量および強い相互作用断面積と整合的である。
• S^{1/3} ≈ 2 MeVという低値は、ヒッグススケールよりもはるかに低く、QCDスケールまたはそれ以下の新しい物理学を示唆する。これは、低バリオン密度におけるカラフル・フラバー・ロックドクォーク物質に関連する可能性がある。