[論文レビュー] Explaining The XENON1T Excess With Light Goldstini Dark Matter

Junjie Cao, Xiao Kang Du+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 63被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、XENON1Tが2–7 keVで観測した電子反発過剰現象が、より重いほぼ degenerate なゴールスティーニの遅い崩壊によって生成される軽量ゴールスティーニ暗黒物質（DM）によって説明可能であると提唱している。軽量ゴールスティーニは、重いゴールスティーニ間の微小な質量差によって加速され、十分な断面積を持つ電子との弾性散乱を可能にし、観測された過剰現象を再現可能である。DM質量が約2–17 keV、速度が約0.003–0.04cの範囲で妥当なパラメータ空間が得られた。

ABSTRACT

In the scenario with a multiplicity of sectors which independently break supersymmetry, multiplicity of goldstini are predicted. We propose a new interpretation of the electron recoil excess at 2-7 keV observed in the XENON1T experiment with very long-lived goldstini DM elastically scattering off the electrons. The goldstini DM can be boosted by the late-decay of the other nearly degenerate (long-lived) goldstini DM, with their tiny mass difference being converted into kinetic energy of the lighter goldstini DM and neutrinos. We show that viable parameter space can be found which can explain the excess of electron recoil events around 2-3 keV recently reported by the XENON1T experiment.

研究の動機と目的

• XENON1Tが2–7 keVで観測した未解明の電子反発過剰現象（期待されるバックグラウンドを53件上回る）を説明すること。
• トリチウムバックグラウンドや太陽の軸子、軽量ボソン的DMといった従来のモデル以外の代替説明を検討すること。
• 複数のセクターにおけるスピン統計の自発的破れから生じるゴールドストーンフェルミオン（ゴールスティーニ）DMが、弾性散乱によってこの過剰現象を説明できるかを検証すること。
• XENON1Tのデータと整合するゴールスティーニDM質量、速度、相互作用強度の妥当なパラメータ空間を同定すること。

提案手法

• より重く長寿命なゴールスティーニの遅い崩壊から生じるゴールスティーニDMをモデル化し、その微小な質量差が軽量ゴールスティーニの運動エネルギーに変換されることを仮定する。
• 非線形的に実現されたSUSYから導かれるゴールスティーニと電子の導関数的結合を用いて、弾性散乱断面積を計算する。
• 二成分の信号モデル（バックグラウンドのみ、および信号＋バックグラウンド）を採用し、信号はゴールスティーニ散乱による単エネルギーの電子反発スペクトルとしてモデル化する。
• XENON1Tの低エネルギー電子反発スペクトルに対して$χ^2$フィットを実施し、$F_2$、$m_{\tilde{\zeta}}$、$v$のパラメータを変化させて予測とデータの差を最小化する。
• 1σおよび2σの信頼水準を用いてパラメータ空間を制限し、バックグラウンドのみのモデルに対して信号モデルが優位であることを示すために$\Delta\chi^2 = 14.1$を用いる。
• 各パラメータの個別的な信号への依存性を分析し、例えば$F_2$や$v$を増加させた場合の信号強度への影響などのトレンドを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 より重いゴールスティーニの遅い崩壊によって生成される軽量ゴールスティーニ暗黒物質は、XENON1Tが2–7 keVで観測した電子反発過剰現象を説明できるか？
• RQ2 観測データと整合し、XENON1Tスペクトルに良好にフィットするゴールスティーニ質量、速度、相互作用強度（$F_2$）の範囲は何か？
• RQ3 軽量ゴールスティーニが得る運動エネルギーのブーストは、2–3 keV範囲の電子反発に必要な散乱断面積を生じさせるのに十分か？
• RQ4 $F_2$と$m_{\tilde{\zeta}}$の制約はどのように相関し、異なるDM質量に対してデータにフィットするための必要なDM速度は何か？
• RQ5 非常に低いDM速度を必要としているにもかかわらず、このモデルは天体物理学的および宇宙論的制約のもとで妥当性を保っているか？

主な発見

• 最良のフィット点では、2つのシナリオについてそれぞれ$\chi^2_{\text{best}} = 29.78$および$29.80$が得られ、$\Delta\chi^2 = 14.116$および$14.102$となり、バックグラウンドのみのモデルに比べて信号モデルが強く支持される。
• 好ましいパラメータ空間には、$m_{\tilde{\zeta}} = 2.2\times10^3$ keVおよび$1.7\times10^4$ keVのゴールスティーニ質量、それぞれ$v = 0.04c$および$0.02c$の速度が含まれる。
• 必要な$F_2$値は、それぞれ$1.9\times10^9$ keV$^2$および$2.2\times10^{10}$ keV$^2$であり、$m_{\tilde{\zeta}} > 40$ keVでは$F_2 > 1.0\times10^8$ keV$^2$である必要がある。
• データに一致させるためにはDM速度を$v \gtrsim 0.003c$に調整する必要があり、これは銀河の脱出速度（$0.0015c < v_{\text{esc}} < 0.002c$）を上回るため、ブースト機構の必要性が示された。
• 信号強度は$F_2$（強い結合）が大きいほど、$v$が大きいほど、$m_{\tilde{\zeta}}$が大きいほど増加するが、これらを同時に調整することで同じスペクトルを再現可能である。
• ブーストが重いゴールスティーニの遅い崩壊によって提供されるため、DM質量が低いにもかかわらず観測された反発スペクトルを再現可能であり、モデルは妥当性を保っている。