[論文レビュー] Effective Field Theory of Dark Matter Direct Detection With Collective Excitations

Tanner Trickle, Zhengkang Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、結晶性および磁性体の標的における単一フォノンおよびマグノン励起を通じた軽い暗黒物質の直接検出率を計算するための有効場理論フレームワークを構築した。標準的なスピン非依存およびスピン依存型結合に加え、軌道的角運動量およびスピン-軌道結合応答を含む一般化を図った。主な結果として、核および電子スピンやスピン数への結合が通常、検出率を支配するため、複雑な秩序を持つ特異な材料を必要とせずとも、電気双極子およびアナポール相互作用を含む広範な暗黒物質モデルに対して強い感度を得られることを示した。

ABSTRACT

We develop a framework for computing light dark matter direct detection rates through single phonon and magnon excitations via general effective operators. Our work generalizes previous calculations focused on spin-independent interactions involving the total nucleon and electron numbers $N$ (the usual route to excite phonons) and spin-dependent interactions involving the total electron spin $S$ (the usual route to excite magnons), leading us to identify new responses involving the orbital angular momenta $L$, as well as spin-orbit couplings $L\otimes S$ in the target. All four types of responses can excite phonons, while couplings to electron's $S$ and $L$ can also excite magnons. We apply the effective field theory approach to a set of well-motivated relativistic benchmark models, including (pseudo-)scalar mediated interactions, and models where dark matter interacts via a multipole moment, such as a dark electric dipole, magnetic dipole or anapole moment. We find that couplings to point-like degrees of freedom $N$ and $S$ often dominate dark matter detection rates, implying that exotic materials with orbital $L$ order or large spin-orbit couplings $L\otimes S$ are not necessary to have strong reach to a broad class of DM models. We highlight that phonon based crystal experiments in active R&D (such as SPICE) will probe light dark matter models well beyond those having a simple spin-independent interaction, including e.g. models with dipole and anapole interactions. Lastly, we make publicly available a code, PhonoDark, which computes single phonon production rates in a wide variety of materials with the effective field theory framework.

研究の動機と目的

• 標準的なスピン非依存およびスピン依存型相互作用を超えて、軌道的角運動量およびスピン-軌道結合を含む応答を含む、暗黒物質直接検出の一般化を図ること。
• 結晶性および磁性体における単一フォノンおよびマグノン励起率を計算する体系的な有効場理論的手法の構築。
• フォノンベースの実験（例：SPICE）が、電気双極子およびアナポール相互作用を含む広範な軽い暗黒物質モデルをどの程度カバーできるかを評価すること。
• 現実的な材料において、特にN、S、L、またはL⊗Sに結合する有効演算子のうち、どの演算子が検出率を支配するかを特定すること。
• EFTフレームワークを用いて、多様な材料におけるフォノン生成率を計算可能なコード「PhonoDark」を公開すること。

提案手法

• 核番号N、電子スピンS、軌道的角運動量L、スピン-軌道結合L⊗Sを含む有効演算子を含む非相対論的有効場理論を、相対論的暗黒物質モデルに一致させることで構築する。
• 非相対論的一致手続きを用いて、これらの有効演算子を格子自由度に一致させ、角運動量演算子を結晶基底状態に射影する。
• 格子ポテンシャルを量子化し、フォノンおよびマグノン励起スペクトルを導出。線形応答形式を用いて遷移率を計算する。
• ベンチマークモデル（標準的スピン依存型相互作用、スカラー媒介型モデル、多極子相互作用：電気双極子、磁気双極子、アナポールモーメント）にこのフレームワークを適用する。
• 速度平均化応答関数を用いて単一フォノン励起率を計算し、音速、単位セル質量、スピンモーメントなどの材料固有パラメータを組み込む。
• η関数形式を用いて、ダークマター速度分布および運動的閾値を考慮した、単位標的質量あたりの全イベントレートを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノンおよびマグノン励起を通じた暗黒物質検出率において、N、S、L、L⊗Sを含むどの有効演算子が支配的か？
• RQ2 フォノンベースの実験は、標準的核反発実験の範囲外にある、電気双極子やアナポール結合を有する暗黒物質モデルを検出可能か？
• RQ3 軌道的角運動量Lやスピン-軌道結合L⊗Sへの結合が、標準的NおよびS結合と比較して検出率をどの程度向上させるか？
• RQ4 音速、スピンモーメント、セル質量などの材料パラメータが、YIGのような材料における検出率に与える影響はいかほどか？
• RQ5 現在および近い将来のフォノンベース実験（例：SPICE）が、広範な軽い暗黒物質モデルに対してどの程度の感度を有するか？

主な発見

• 核番号Nおよび電子スピンSへの結合が、大多数のモデルで検出率を支配する。これは、軌道的L秩序や強いスピン-軌道結合を示す特異な材料を必要とせずとも、強い感度が得られることを示唆している。
• SPICEなどのフォノンベース実験は、電気双極子およびアナポール相互作用を有する軽い暗黒物質モデルを検出可能であり、標準的核反発実験の範囲を超える。
• 有効場理論フレームワークは、広範な材料において単一フォノン生成率を正確に計算でき、コード「PhonoDark」によりこれらの計算への公開アクセスが可能となった。
• YIGでは、運動量ベクトルと偏光ベクトルが一致するため、縦波フォノンモードが主に寄与し、レートは ∝ q² η(v_min(q)) のように比例する。
• YIGにおける標準的スピン依存型相互作用の検出率は 1/c_s に比例し、セルスピンモーメント S_cell² の二乗に比例する。最大感度は最初のブリユアンゾーンの端に制限される。
• スピン-軌道結合および軌道的角運動量応答の導入により、暗黒物質検出の新たなチャネルが開かれるが、通常はNおよびS結合に比べて寄与は二次的である。